доц. П. Наков, доц. В. Колев ТЕХНИКА НА ВИСОКИТЕ НАПРЕЖЕНИЯ София, 2016 Книгата е учебник по дисциплината Техника на високите напрежения I част и е предназначена за студентите от специалност “Електроенергетика” при Електротехническия факултет на ТУ - София. Тя може да бъде полезна и на студенти, изучаващи сродна дисциплина и в други висши учебни заведения. Книгата може да служи и на специалисти от електропромишленността и електроенергийната система, проектантските и научноизследователските институти и конструктивните отдели на заводите. Петър Митрофанов Наков Валентин Генов Колев c/o Jusautor, Sofia 2 ПРЕДГОВОР Книгата е учебник по Техника на високите напрежения - част I. В нея се изяснява физичната основа на проблема за Електричната якост на изолациите за високо напрежение: механизма на проводимост и механизма на разряд. Тези процеси се разглеждат в газови, течни, твърди и комбинирани изолации. Обръща се внимание върху основни фактори, които влияят върху Електричната якост: налягане, степен на електроотрицателност на газа и форма на полето. Разглежда се стареенето на изолацията в процеса на експлоатация под действие на напрежение, температура, влага, механични усилия и други химически въздействия. Специално внимание е отделено на повърхностния разряд в условията на силни промишлени и природно замърсявания. Разглеждат се принципно заместващи схеми на изолационни конструкции и тяхното използване за повишаване на Електричната якост. Разглеждат се типични електрически полета в изолационните конструкции и техните влияния върху електрическия разряд и пробив. Дефинират се изискванията към изолациите за високо напрежение и тяхната форма на представяне: отраслови нормали и стандарти. В тази връзка се определят и основите на въздействащите върху изолацията фактори, които обуславят нивото на Електричната якост на изолацията Книгата е разработена в 2 части. В първа част са включени 6 глави и се разглеждат проблемите свързани с различните видове изолации - газова, твърда, течна и комбинирана. В глава 5 са дадени обобщени сведения за изолационни конструкции - кабели и кабелна арматура, кондензатори за високо напрежение, силови и измервателни трансформатори, изолация на електропроводи и разпределителни уредби. Обърнато е внимание на вакуумни и елегазови разпределителни уредби. В глава 6 е обърнато специално внимание на теорията на частичните разряди, като и методите за тяхното измерване. Във втора част са разгледани подробно пренапреженията (установени, комутационни и атмосферни) в електроенергийните системи, средствата за защита от пренапрежения, както и някои методи за изпитване на изолацията и изолационните конструкции. Материалът е написан, както следва: П. Наков – Част I В. Колев – Част II Авторите изказват благодарност на рецензента доц. д-р инж. Антоанета Тодорова за направените ценни забележки и препоръки. Всички препоръки за подобрение на учебника молим да се изпращат на адрес: София, ТУ - София, Електротехнически факултет, лаборатория “Техника на високите напрежения. 3 Съдържание 1 УВОД................................................................................................................................................................7 ЧАСТ I ...................................................................................................................................................................8 1. ЕЛЕКТРИЧНА ЯКОСТ НА ГАЗОВА ИЗОЛАЦИЯ ..............................................................................9 1.1. ДВИЖЕНИЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЧАСТИЦИ В ГАЗ.............................................................................9 1.1.1. РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ НА МОЛЕКУЛИТЕ НА ГАЗ ПО СКОРОСТИ..................................................................9 1.1.2. СРЕДНА ДЪЛЖИНА НА СВОБОДНИЯ ПРОБЕГ НА ЧАСТИЦА......................................................................10 1.1.3. ВЕРОЯТНОСТ ЗА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЧАСТИЦИ В ГАЗ ........................................................................11 1.1.4. ПОДВИЖНОСТ НА ЗАРЯДИ В ГАЗ ..............................................................................................................12 1.2. ЙОНИЗАЦИОННИ ПРОЦЕСИ В ГАЗ............................................................................................................14 1.2.1. ТЕРМОЙОНИЗАЦИЯ ................................................................................................................................14 1.2.2. ФОТОЙОНИЗАЦИЯ ..................................................................................................................................14 1.2.3. УДАРНА ЙОНИЗАЦИЯ. ............................................................................................................................15 1.3. ЕМИСИЯ НА ЕЛЕКТРОНИ ОТ КАТОДА ...................................................................................................... 16 1.3.1. ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМИСИЯ ..............................................................................................................16 1.3.2. ФОТОЕЛЕКТРОННА ЕМИСИЯ ................................................................................................................ 17 1.3.3. АВТОЕЛЕКТРОННА ЕМИСИЯ .................................................................................................................17 1.3.4. ВТОРИЧНА ЕЛЕКТРОННА ЕМИСИЯ ( - ЕМИСИЯ) ...............................................................................17 1.4. ДЕЙОНИЗАЦИОННИ ПРОЦЕСИ .................................................................................................................17 1.4.1. РЕКОМБИНАЦИЯ ....................................................................................................................................17 1.4.2. ДИФУЗИЯ .................................................................................................................................................18 1.4.3. ПРИЛЕПВАНЕ НА ЕЛЕКТРОНИ...............................................................................................................18 1.5. СТАДИИ НА РАЗВИТИЕ НА РАЗРЯДА.........................................................................................................18 1.5.1. ВОЛТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ГАЗОВА МЕЖДИНА .............................................................. 18 1.5.2. ОБРАЗУВАНЕ НА ЛАВИНА ......................................................................................................................19 1.5.3. СТРИМЕР .................................................................................................................................................22 1.5.4. ЛИДЕР ......................................................................................................................................................23 1.5.5. ГЛАВЕН КАНАЛ .......................................................................................................................................23 1.6. ЗАКОН НА ПАШЕН .....................................................................................................................................25 1.7. РАЗРЯД В НЕРАВНОМЕРНО ЕЛЕКТРИЧНО ПОЛЕ .....................................................................................27 1.7.1. ОЦЕНКА НА НЕРАВНОМЕРНОСТТА НА ЕЛЕКТРИЧНОТО ПОЛЕ ..........................................................27 1.7.2. ЕЛЕКТРИЧНО ПОЛЕ НА ОБЕМЕН ЗАРЯД ...............................................................................................28 1.7.3. ИЗМЕНЕНИЕ НА ЕЛЕКТРИЧНОТО ПОЛЕ ПОД ДЕЙСТВИЕ НА ОБЕМНИТЕ ЗАРЯДИ ............................30 1.8. ЗАКЪСНЕНИЕ НА РАЗРЯДА, ВРЕМЕ ЗА РАЗВИТИЕ НА РАЗРЯДА В ГАЗ. ВОЛТ-СЕКУНДНА ХАРАКТЕРИСТИКА. ..............................................................................................................................................32 1.9. КОРОНИРАНЕ ВЪВ ВЪЗДУХ. ......................................................................................................................35 1.9.1. КОРОНИРАНЕ ВЪВ ВЪЗДУХ ПРИ ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ПОСТАНОВКА ОСТРИЕ-ПЛОСКОСТ И ОСТРИЕ-СФЕРА. ................................................................................................................................................35 1.9.2. КОРОНИРАНЕ ПРИ ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ НА ПРОВОДНИЦИ. ..................................................37 1.9.3. КОРОНИРАНЕ ПРИ ПРОМЕНЛИВО НАПРЕЖЕНИЕ. ............................................................................... 38 1.9.4. ИЗБОР НА СЕЧЕНИЕ НА ПРОВОДНИЦИТЕ ЗА ВЪЗДУШНИ ЕЛЕКТРОПРОВОДНИ ЛИНИИ. .................40 1.9.5. ТЕХНОЛОГИЧНИ РАЗХОДИ ОТ КОРОНА................................................................................................42 2. РАЗРЯД ПО ПОВЪРХНОСТТА НА ИЗОЛАЦИЯТА .........................................................................45 2.1. РАЗРЯД ПО ПОВЪРХНОСТТА НА СУХ И ЧИСТ ДИЕЛЕКТРИК ..................................................................45 3. ТЕЧНА ИЗОЛАЦИЯ..................................................................................................................................53 3.1. ПРОВОДИМОСТ НА ТЕЧНИ ДИЕЛЕКТРИЦИ .............................................................................................53 3.2. МЕХАНИЗЪМ НА РАЗРЯДА В ТЕЧНОСТИ ..................................................................................................59 4. ТВЪРДА ИЗОЛАЦИЯ. ..............................................................................................................................62 4.1. ПРОВОДИМОСТ НА ТВЪРДИТЕ ДИЕЛЕКТРИЦИ. ......................................................................................62 4.2. МЕХАНИЗЪМ НА ПРОБИВА В ТВЪРДИ ДИЕЛЕКТРИЦИ ...........................................................................63 4.3. МЕХАНИЗЪМ НА ПРОБИВА В ТВЪРДИ ДИЕЛЕКТРИЦИ ПРИ ДЪЛГОТРАЙНО ДЕЙСТВИЕ НА НАПРЕЖЕНИЕТО. .................................................................................................................................................64 5. КОМБИНИРАНА ИЗОЛАЦИЯ. ..............................................................................................................67 5.1. МАСЛЕНО-БАРИЕРНА ИЗОЛАЦИЯ ............................................................................................................67 4 5.2. ХАРТИЕНО-МАСЛЕНА ИЗОЛАЦИЯ ...........................................................................................................70 5.3. СЪСТАВНИ ТВЪРДИ ИЗОЛАЦИИ ...............................................................................................................72 5.4. КОМБИНИРАНА С ГАЗ ТВЪРДА ИЗОЛАЦИЯ .............................................................................................73 5.5. СТАРЕЕНЕ НА КОМБИНИРАНАТА ИЗОЛАЦИЯ ......................................................................................... 74 6. ЧАСТИЧНИ РАЗРЯДИ В ИЗОЛАЦИИТЕ ЗА ВИСОКО НАПРЕЖЕНИЕ. ................................... 76 6.1. МЕХАНИЗЪМ НА РАЗВИТИЕ НА ЧАСТИЧНИТЕ РАЗРЯДИ. .......................................................................76 6.2. ВЕЛИЧИНИ ХАРАКТЕРИЗИРАЩИ РАЗВИТИЕТО НА ЧАСТИЧНИТЕ РАЗРЯДИ. .......................................79 6.3. ВЛИЯНИЕ НА ЧАСТИЧНИТЕ РАЗРЯДИ ВЪРХУ ЕЛЕКТРИЧНАТА ИЗОЛАЦИЯ .........................................83 6.4. ИЗМЕРВАНЕ НА ЧАСТИЧНИ РАЗРЯДИ ......................................................................................................85 ЧАСТ II................................................................................................................................................................91 ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГИЙНИТЕ СИСТЕМИ ............................................................91 ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ............................................................................................................91 7. УСТАНОВЕНИ ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ....................................................................................................93 7.1. РЕЖИМИ НА НЕУТРАЛАТА НА ЕЛЕКТРОЕНЕРГИЙНИТЕ СИСТЕМИ. ..................................................... 94 7.1.1. МРЕЖИ С ИЗОЛИРАН ЗВЕЗДЕН ЦЕНТЪР .................................................................................................... 94 7.1.2. МРЕЖИ СЪС ЗАЗЕМЕН ПРЕЗ ИНДУКТИВНОСТ ЗВЕЗДЕН ЦЕНТЪР..............................................................98 7.1.3. МРЕЖИ СЪС ЗАЗЕМЕН ПРЕЗ РЕЗИСТОР ЗВЕЗДЕН ЦЕНТЪР .....................................................................101 7.1.4. СИСТЕМИ С КОМБИНИРАН НАЧИН НА ЗАЗЕМЯВАНЕ НА НЕУТРАЛАТА.................................................102 7.1.5. МРЕЖИ С ЕФЕКТИВНО ЗАЗЕМЕН ЗВЕЗДЕН ЦЕНТЪР................................................................................102 7.2. РЕЗОНАНСНИ ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ...........................................................................................................104 7.3. ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ОТ КАПАЦИТИВЕН ЕФЕКТ ...................................................................................... 112 8. КОМУТАЦИОННИ ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ..........................................................................................112 8.1. ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ПРИ ЗЕМНИ И КЪСИ СЪЕДИНЕНИЯ ........................................................................113 8.2. ИЗКЛЮЧВАНЕ НА ТРАНСФОРМАТОР НА ПРАЗЕН ХОД .........................................................................114 9.3 ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ПРИ ДВУФАЗНИ ЗЕМНИ СЪЕДИНЕНИЯ ПРИ СИСТЕМА С КОМПЕНСИРАНА НЕУТРАЛА...........................................................................................................................................................117 9.4 ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ПРИ ЕДНОФАЗНО ЗЕМНО СЪЕДИНЕНИЕ В СИСТЕМА С ИЗОЛИРАНА НЕУТРАЛА. 118 9.5 ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ПРИ ИЗКЛЮЧВАНЕ НА ЕЛЕКТРОПРОВОДИ НА П.Х. ...............................................120 9.6 ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ПРИ ИЗКЛЮЧВАНЕ НА КОНДЕНЗАТОРНИ БАТЕРИИ ..............................................122 9. АТМОСФЕРНИ ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ .................................................................................................123 9.1. ПАРАМЕТРИ НА МЪЛНИЯ. ......................................................................................................................123 9.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА МЪЛНИЕНОСНАТА ДЕЙНОСТ. .........................................................................124 9.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ТОКА НА МЪЛНИЯТА ........................................................................................125 9.4. МЪЛНИЕЗАЩИТА ОТ ДИРЕКТНИ ПОПАДЕНИЯ НА МЪЛНИЯ ...............................................................127 9.5. ИЗКЛЮЧВАНИЯ ОТ МЪЛНИИ. ВЪЛНИ НА НАПРЕЖЕНИЕ, ПОСТЪПВАЩИ В ПОДСТАНЦИИТЕ.........132 9.5.1. ИНДУКТИРАНИ ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ......................................................................................................... 132 9.5.2. ДИРЕКТНИ ПОПАДЕНИЯ НА МЪЛНИИ ....................................................................................................134 9.5.3. ИЗКЛЮЧВАНИЯ НА ЕЛЕКТРОПРОВОДИ БЕЗ МЪЛНИЕЗАЩИТНИ ВЪЖЕТА..............................................134 9.5.4. ИЗКЛЮЧВАНИЯ ОТ МЪЛНИИ НА ЕЛЕКТРОПРОВОДИ С МЪЛНИЕЗАЩИТНИ ВЪЖЕТА.............................137 9.5.5. ПОВРЕДИ ОТ МЪЛНИИ ............................................................................................................................141 9.6. ВЪЛНОВИ ПРОЦЕСИ ПО ЕЛЕКТРОПРОВОДИ .........................................................................................143 10. ЗАЩИТНИ СРЕДСТВА ОТ ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ ..........................................................................158 10.1. ОТКРИТИ ИСКРОВИ МЕЖДИНИ ............................................................................................................158 10.2. ТРЪБНИ ОТВОДИ ....................................................................................................................................161 10.3. ВЕНТИЛНИ ОТВОДИ ..............................................................................................................................161 10.4. МЕТАЛНООКИСНИ ВЕНТИЛНИ ОТВОДИ .............................................................................................165 11. ИЗПИТВАНЕ НА ИЗОЛАЦИЯТА НА СЪОРЪЖЕНИЯТА ЗА ВИСОКО НАПРЕЖЕНИЕ ...171 12. ПРОЦЕСИ В МНОГОСЛОЙНА ИЗОЛАЦИЯ ПРИ ПОСТОЯННО И ПРОМЕНЛИВО НАПРЕЖЕНИЕ ............................................................................................................................................... 173 12.1. ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ .................................................................................................................173 12.2. ПРОМЕНЛИВО НАПРЕЖЕНИЕ ...............................................................................................................176 12.3. ДЕФЕКТИ В ИЗОЛАЦИЯТА ........................................................................................................... 178 13. МЕТОДИ ЗА ИЗПИТВАНЕ НА ЕЛЕКТРИЧНАТА ИЗОЛАЦИЯ ЗА ВИСОКО НАПРЕЖЕНИЕ. .............................................................................................................................................. 179 13.1. ИЗПИТВАНЕ С ПОВИШЕНО НАПРЕЖЕНИЕ ..........................................................................................179 5 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. ИЗМЕРВАНЕ НА СЪПРОТИВЛЕНИЕТО НА ИЗОЛАЦИЯТА И НА КОЕФИЦИЕНТА НА АБСОРБЦИЯ ....184 ИЗМЕРВАНЕ НА ТОКА НА ПРОВОДИМОСТТА ......................................................................................186 ИЗМЕРВАНЕ НА ВРЕМЕТО ЗА САМОРАЗРЯД ........................................................................................187 ИЗМЕРВАНЕ НА ВЪЗВРАТНО НАПРЕЖЕНИЕ ........................................................................................187 13.6. ИЗМЕРВАНЕ НА TG..............................................................................................................................188 13.7. ИЗМЕРВАНЕ НА КАПАЦИТЕТА..............................................................................................................188 13.8. ИЗМЕРВАНЕ НА РАДИОСМУЩЕНИЯТА ОТ СЪОРЪЖЕНИЯ ЗА ВИСОКО НАПРЕЖЕНИЕ. ................... 189 ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................................................................192 6 1 УВОД Техника на високите напрежения? Това е дисциплина, която изучава следните въпроси: физиката на процесите определящи загубата на електрична якост на изолацията; формирането на пренапреженията в елементите на електро-енергийната система и тяхното действие върху електричната изолация; съгласуване на изолационните характеристики на електрическите съоръжения с пренапреженията в електричната мрежа; конструктивни решения на електричната изолация за високо напрежение; видовете изпитвания на електричните изолации и свързаните с тях изпитвателната и измервателна техника. Основният въпрос на Техника на високите напрежения е изборът на електрична изолация със съответната електричната якост на оборудването в зависимост от напреженията, които могат да се появят в системата, за която е предназначено съоръжението, отчитайки влиянието на околната среда и характеристиките на наличните защитни средства т.е. координация на изолацията. Развитието на дисциплината се свързва с определяне на остатъчния ресурс на изолацията на съоръженията в експлоатация - диагностика на изолацията на съоръженията в работни условия. Структура на дисциплината Техника на високите напрежения Електричната якост на изолацията и методите за изследването й са предмет на първата част от курса лекции по Техника на високите напрежения. Тук се разглежда устойчивостта на изолациите, класифицирани по тяхното агрегатно състояние газова, течна, твърда и комбинирана. Разглежда се теорията за развитие на разряд в газ; на разряд и пробив в течности и процесите на електричен и топлинен пробив, както и стареенето на твърда изолацията. Основната изследвана зависимост е обобщената волт-временна характеристика при различни форми и продължителност на действащите напрежения. Наличието на разрушение или остатъчни продукти при загуба на електричната якост на диелектрици е критерий за разделяне на изолациите на две групи: възстановяваща се изолация, когато след прекратяване на действието на напрежение електричната якост се възстановява без наличие на разрушения или остатъчни продукти; невъзстановяваща се, когато разрушението или натрупаните остатъчни продукти са намалили електричната якост на диелектрика. По-нататък в курса, понятието разряд ще бъде свързвано със загубата на електрична якост на възстановяваща се изолация, а понятието пробив - при невъзстановяваща се изолация. Втората част от курса по Техника на високите напрежения представлява теоретично изследване и експериментално определяне на видовете действия върху изолациите (номинални напрежения, пренапрежения, температура и параметри на 7 околната среда). Подробно се разглеждат начинът на заземяване на неутралите в електрическите системи и влиянието му върху формата и амплитудата на установените и комутационни пренапреженията (вътрешни пренапрежения). Мълнията поражда атмосферни пренапрежения, които се класифицират като външни пренапрежения. Те се характеризират с голяма скорост на повишаване на напрежението и свързаните с това вълнови процеси в елементите на електроенергийната система (ЕЕС). В тази част на дисциплината се представят методите и средствата за ограничаване на пренапреженията. Координацията на изолацията е съгласуване на изолационните характеристики на електрическите съоръжения с пренапреженията в ЕЕС (атмосферни, комутационни и трайни) при отчитане на характеристиките на защитните средства. Опитното определяне на параметрите на електрична изолация и методите за прогнозиране на времето за настъпване на отказ са предмет на изпитванията. Изпитванията съгласно стандартите за определяне на надеждността на изделията за високо напрежение, включват както разрушаващи, така и неразрушаващи методи. Определянето на степента на стареене на изолацията е основата на голяма група изпитвания, обединени в диагностиката на електричната изолация. 8 ЧАСТ I 1. ЕЛЕКТРИЧНА ЯКОСТ НА ГАЗОВА ИЗОЛАЦИЯ При разглеждане на процесите на разряд в газ е възприет моделът на Нилс Бор за строеж на атома. Електронът се възприема като корпускулярна частица, а орбитата му - като геометрично място на точките в пространството около ядрото, които описват максималната обемна плътност във времето на електрическия заряд (максималната вероятност за разположението на електрона в пространството). Разрядът в газ се свързва с движението на елементарните частици и тяхното им взаимодействие. Процесът йонизация е отделяне на електрон от неутрална частица и превръщането й в йон в следствие повишаване на вътрешната енергия на частицата. Приетата енергия може да бъде топлинна, светлинна или кинетична енергия придобита от електричното поле или външни йонизиращи източници. Образуваните заредени частици могат да рекомбинират както в обема на между електродното пространство, така и извън него след дифузия на частиците, което се нарича дейонизация. Възможно е свободен електрон да прилепне към неутрална частица и да се получи отрицателен йон. Независимо, че не се намалява големината на отрицателния обемен заряд, получените отрицателни йони имат значително помалка подвижност. Процесът на разряд е разгледан в четири стадия: лавина, стример, лидер и главен канал. Броят на зарядите между два електрода нараства лавинообразно при напрежение по-голямо от критичното. При достигане на условие за самостоятелен разряд възниква главен канал на разряда. Възможни са: лавинен разряд при малки разстояния между електродите и малки налягания на газа; стримерен разряд при средни разстояния; лидерен разряд при големи разстояния и значителна концентрация на токоносители в ствола на стримера. Условието за развитие на самостоятелен разряд зависи от формата на електричното поле, времето на действие на напрежението и състоянието на граничните повърхности на твърд диелектрик. 1.1. Движение и взаимодействие на частици в газ 1.1.1. Разпределение на молекулите на газ по скорости Взаимодействието на елементарните частици в газ се получава при доближаването им. Елементарните частици обменят енергия, когато разстоянието между тях е съизмеримо с техните размери. По-често това взаимодействие е в резултат на пресичане на траекториите им и се нарича „удар“. В идеалния газ без външни въздействия, тази енергия е кинетична получена в резултат на топлинното им движение. В идеалния атомен или молекулярен газ частиците, участващи в топлинното движение, се разпределят по скорости в съответствие със зависимостта на МаксуелБолцман 9 2 v 2 dN (v) / N 4 v exp , dv / vw vw vw (1-1) където N(v) е броят на частиците със скорост v от общия брой частици N; vw - най-вероятната скорост на частиците при максимална стойност на функцията на разпределение. От зависимостта (1-1) може да се определят, съответно ефективната veff, средната vw и най-вероятната vm скорост на частиците в даден газ 3kT 2 kT ; vw ; m m veff vm 8kT . m (1-2) Съгласно закона за равномерното разпределение на енергията при постъпателно движение, средната енергия на частиците Wkin е: Wkin 3 1 2 kT mv eff , 2 2 където (1-3) -23 k =1,38.10 J/K е константата на Болцман; m - масата на елементарната частица; T - абсолютната температура, K. 1.1.2. Средна дължина на свободния пробег на частица Пътят, който елементарна частица изминава без взаимодействие с друга частица, се нарича свободен пробег . Дължината на свободния пробег се характеризира със своя случаен характер: статистическо разсейване и средна стойност . Заредените частици (йони или електрони) получават допълнителна енергия от електричното поле. При взаимодействие между частици, те отдават част от енергията си. Неутралната молекула постепенно се установява във възбудено състояние. Ако енергията на взаимодействие е по-голяма от енергията за отделянето на електрон в свободното пространство, възниква йонизация. При движение на елементарна частица А с радиус rA в газ, съставен от елементарни частици В с радиус rB, взаимодействие ще има в зоната на сечението показано на фиг. 1-1 със защрихованата област. r +r A B r B rA фиг. 1-1. Схема на взаимодействие на елементарни частици в газ При условие, че частиците на газа са неподвижни, сечението на взаимодействие е кръг с площ 10 as (rA rB ) 2 , (1-4) където rA е радиусът на движещата се частица; rB - радиусът на молекулата на газа. Вероятността за удар на частиците на разстояние ds е пропорционална на плътността на газа nB, площта на взаимодействие as и разстоянието ds d nB as ds . (1-5) Вероятността за взаимодействие на частиците може да се изрази и чрез отношението d ds / , (1-6) където е средната дължина на свободния пробег на частиците. Ако се изравнят десните части на уравненията (1-5) и (1-6) и и се отчете общото уравнение на газ, то средният свободен пробег може да се изрази чрез 1 kT as p , (1-7) където p е налягането на газа; Т - абсолютната температура; k - константата на Болцман. Радиусът на електрон е значително по-малък от молекулата, rA << rВ . Тогава, средният свободен пробег на електрон е приблизително равен на e 1 kT rB2 p , (1-8) а в случая на движение на йон, където rA rВ, средният свободен пробег е u 1 kT 4rB2 p . (1-9) При движението на йони, средният свободен пробег е четири пъти по-малък в сравнение с пробега на електрона, поради по-голямата им площ на взаимодействие при еднакви останали условия. 1.1.3. Вероятност за взаимодействие на частици в газ Нека да допуснем, че броят на зарядите, които при преминаване на разстояние x не са взаимодействали с други частици е NA(x) . Промяната на броя на зарядите, които не са претърпели взаимодействие може да се изрази с диференциалното уравнение 11 dN A ( x) N A ( x)d N A ( x) dx . (1-10) Ако се интегрира (1.10), то се получава N A ( x) N A (0)e ( x / ) . (1-11) Отношението на броя на частиците, които не са взаимодействали, към началния брой, определя вероятността за взаимодействие във функция от разстоянието x и може да се запише като P N A ( x) e( x / ) . N A (0) (1-12) Вероятността P представлява приведения брой на йоните при дължина на свободния пробег x по-малка или равна на средния свободен пробег . Ако в зависимостта (1-12) се разглежда движението само на една частица NA(0)=1, то уравнението представлява закона на Клаузиус, с което уравнение се описва вероятността да настъпи йонизация във функция от дължината на свободния пробег. 1.1.4. Подвижност на заряди в газ Заредените частици, йони или електрони, имат ограничена, зависеща от интензитета на електричното поле скорост. Носителите на заряди по време на свободния си пробег се ускоряват под действието на електричното поле. При описанието на движението на частиците се въвежда понятието средна скорост на дрейфа vE bE , където (1-13) b е подвижността на зарядите; E - интензитетът на електричното поле. Подвижността на зарядите се определя от съотношението на отделните видове енергии в общата им енергия (кинетична - получена от електричното поле, топлинна и т. н.). Под действие на електричното поле, промяна в траекторията и скоростта на частиците има до възникването на удар с друга частица. Когато интензитетът на електричното поле E е малък, времето между два удара може да се определи от топлинното движение tm m veff , (1-14) където m е средният свободен пробег на частицата; 12 veff - ефективната скорост на движение на частицата, определени в (1-1) и (1-2). Скоростта на зарядите се определя основно от топлинната енергия vE 1 q m E, 2 m veff (1-15) където q и m са съответно зарядът и масата на носителя на заряда. Подвижността на заряда, отчитайки (1-2) и (1-13), е равна на b 1 q m . 2 3kTm (1-16) При достатъчно голяма стойност на интензитета на електричното поле, енергията предавана на зарядите от полето е значително по-голяма от енергията на топлинното движение, като при взаимодействието между частиците се предава и част от кинетичната енергия на заряда. Това взаимодействие обуслови нова ефективна скорост на газовите частици в смисъла на разпределението на МаксуелБолцман vm и частиците се движат с ефективна скорост, опрделена от зависимостта 1 1 m(2vE ) 2 mvm2 , 2 2 (1-17) където е частта от кинетичната енергия, предавана при взаимодействието на частиците. Полагайки veff vm от (1-17) в (1-15), подвижността на зарядите се получава във функция от интензитета на електричното поле b 1 2 qm 1 m E . (1-18) При малки стойности на интензитетите подвижността на зарядите е относително постоянна и слабо зависи от интензитета на полето. Когато енергията на зарядите получена при по-голям интензитет на полето е съизмерима с топлинната им енергия, то подвижността намалява обратно пропорционално на корен втори от интензитета на електричното поле. Подвижността на частицата зависи и от масата й. Йоните имат по-малка подвижност от електроните, защото тяхната маса е значително по-голяма и имат четири пъти по-малък среден свободен пробег. На фиг. 1-2 и фиг. 1-3 [1] е показана примери зависимостта на подвижността на заряди от интензитета на електричното поле, съответно за електрони във въздух и йони в аргон при налягане 100 kPa и температура 200С. 13 2 m2/V.s 1,35 1,8 m2/Vs 10-4 1,3 1,6 1,4 1,25 1,2 1,2 1 0,8 1,15 0,6 E, kV/m 0,4 0,2 E, kV/m 1,1 1,05 0 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 фиг. 1-3 Подвижност на електрони във въздух фиг. 1-2 Подвижност на йони в аргон Наблюдава се значително по-малка подвижност на йоните с около четири порядъка. Това обуславя значително по-слабото участие на йоните в процеса на разряда. Ето защо, движението на електроните се разглежда като основна причина за развитие на йонизационните процеси и на разряда в газ. 1.2. Йонизационни процеси в газ 1.2.1. Термойонизация Термойонизация се наблюдава при температури от няколко хиляди градуса. При по-малки температури протича стъпално, като постепенно се достига енергията на йонизация Wй. При работни температури на околната среда този процес е малко вероятен. Степента на йонизация PT в зависимост от температурата се представя с уравнението на Сах [1] W 2,5 u PT2 4 T 1,82.10 e kT , 2 1 PT p където (1-19) T е температурата; p - налягането. Термойонизацията е възможна при прехода от лидерен стадий на разряда в главен канал. 1.2.2. Фотойонизация Фотойонизация се наблюдава при поглъщане на фотон от неутрална частица, когато енергията на фотона е по-голяма от енергията на йонизация ≥ където й, (1-20) h е константата на Планк; l – дължината на вълната на фотона. Директна фотойонизация за въздух е възможна при дължина на вълната на фотона l= (10 ÷ 65) nm. 14 Ултравиолетовата светлина е с дължина на вълната около 200 nm и директна фотойонизация е невъзможна. Йонизацията при облъчване с ултравиолетова светлина протича в няколко степени. При всяка степен, неутралната частица се възбужда на по-високо енергийно ниво и когато натрупаната енергия е по-голяма от енергията на йонизация, се отделя свободен електрон. Този процес се нарича стъпална йонизация. 1.2.3. Ударна йонизация. Ударна йонизация възниква под действието на електрично поле. Нарастването на свободните токоносители в газ се дължи основно на ударната йонизация. Ударната йонизация е възможна в два случая: -взаимодействие на електрон с неутрална частица, ударна йонизация; -взаимодействие на положителен йон с неутрална частица, ударна йонизация. И в двата случая енергията W, която се предава при удара трябва да е по-голяма от енергията на йонизация Wй Wq E > Wй, (1-21) където q е зарядът на частицата; - частта от енергията предавана при взаимодействието; Е - интензитетът на електричното поле. фиг. 1-4. Схема на ударна йонизация фиг. 1-5. Схема на ударна йонизация Свободният пробег на заредена частица λ е ≥ й , (1-22) където λ е свободният пробег на частица за възникване на йонизация; δ – частта от енергията предавана при удара; Wй – енергията за възникване на йонизация; е – зарядът на електрон; Е – интензитетът на електричното поле. Вероятността да настъпи йонизация, съгласно уравнението на Клаузиус (1.12) е = / . (1-23) където λ е свободният пробег на частица за възникване на йонизация; 15 ̅ – среден свободен пробег на частицата. Броят на взаимодействията за единица дължина е равен на 1/ , а броят на йонизациите, които ще предизвика електрон за единица дължина е / = (1-24) Коефициентът се нарича първи коефициент на Таунсенд. Полагайки (1.7) и (1.22) в уравнението (1.24), то първият коефициент на Таунсенд е p където K1 K1e K2 E/ p , (1-25) as a W и K2 s u са коефициенти за дадения вид газ. kT ekT Освен образуването на заряди в обема е възможно получаването на електрони от металните електроди, което се нарича електронна емисия. Електронната емисия от катода подпомага процеса на йонизация и развитието на разряда. 1.3. Емисия на електрони от катода Електрони от катода могат да се отделят, когато енергията на даден електрон в метала е по-голяма от енергията на емисия. Отделянето на йони от металните електроди е възможно, когато те се бомбардират от частици с голяма енергия. Явлението се наблюдава в процеса на разряд във вакуум. Енергията на емисия на електрони зависи от състоянието на катода. За някои оксидни катоди, енергията за отделяне на електрони е съществено по-малка от тази при чистите метали. Оксидни катоди се използват в електронните лампи. 1.3.1. Термоелектронна емисия Термоелектронна емисия е отделянето на електрони от катода в резултат на висока температура. При работни температури на съоръженията, не се наблюдава термоелектронна емисия. Когато се надвиши определена гранична стойност на температурата, започва интензивно отделяне на електрони. Плътността на тока се определя с уравнението на Ричардсън [1] Wa 2 kT J CT e , (1-26) където J е плътността на тока, A/m2; Wa - енергията на емисия; k – константата на Болцман T – абсолютната температура; C - константа числено равна на (0,61,2) 106 A/(mK)2. 16 1.3.2. Фотоелектронна емисия Фотоелектронна емисия е отделянето на електрони от катода в резултат на облъчването на повърхността на метала с фотони. И тук както при фотойонизацията е необходимо, енергията на фотона да по-голяма енергията на отделяне. При това, началната скорост на електрона ще бъде ≤ − , (1-27) където v е началната скорост на електрона; m – масата на електрона; h – константа на Планк; l – дължината на вълната на фотона; Wa – енергията на емисия. В сравнение с енергията на йонизация, енергията на излитане е по-малка, което позволява емисия на електрони от метала да настъпи при фотони с по-голяма дължина на вълната. 1.3.3. Автоелектронна емисия Автоелектронна емисия възниква, когато на повърхността на проводник под действие на външно електрично поле се изкриви потенциалната бариера и електронът излети (тунелен ефект). Този феномен се проявява при интензитет на електричното поле от порядъка на 100 MV/m при идеално гладка повърхност на проводника. Реалните повърхности имат нееднородности и замърсяване, което съществено намалява този интензитет. 1.3.4. Вторична електронна емисия ( - емисия) Вторична електронна емисия се появява при попадане на положителен йон върху катода, като се дефинира вторият коефициент на Таунсенд - . Той дава броят на излетелите електрони от катода приведен към броя на попадналите на катода положителни йони. Вторият коефициент на Таунсенд зависи от вида на газа и състоянието на повърхността на катода. Кинетичната енергия на йона е значително по-малка от енергията на йонизация. Това обуславя слабото влияние на електричното поле върху процеса на вторична електронна емисия. 1.4. Дейонизационни процеси Едновременно с йонизационните процеси в газа протичат и процесите на дейонизация, т.е. намаляване на зарядите в обема на газа. Те биват два вида: рекомбинация и дифузия. 1.4.1. Рекомбинация Рекомбинацията е взаимодействие между частици с противоположни заряди, при което те се неутрализират. Плътността на зарядите в даден обем и в даден момент може да се изрази с 17 n 1 , 1/ no rt (1-28) където r е коефициент на рекомбинация; t - време; n0 - началната плътност на зарядите. Коефициентът на рекомбинация зависи от плътността на молекулите на газа и неговото налягане. Когато не е приложено напрежение, йони получени от външни йонизиращи източници е равен на рекомбиниралите йони. Полученото равновесие на зарядите дава плътността на електроните, която плътност определя времето за поява на първия свободен електрон в даден обема на газа. 1.4.2. Дифузия Дифузия е свободното движение на зарядите. Дифузията намалява концентрацията на заряди в между електродното пространство и намалява вероятността за поява на начален електрон в даден обема на газа. 1.4.3. Прилепване на електрони Свободните електрони могат да попаднат в близост до неутрални частици и да образуват отрицателни йони. Този процес се нарича прилепване на електрона. Прилепването на електрона към неутрална молекула не променя общото количество заряди в обема, но се намалява броят на свободните електрони. Намаляването на свободните електрони намалява ефекта на α ударната йонизация и условията за развитие на разряда. Енергията на връзката „електрон-неутрална частица“ (сродство с електрона) е поголяма за халогенните газове, които на външния си електронен слой имат ваканции. Енергия на сродство на електрона Wb за някои видове газ е показана в Табл. 1-1 [1]. Таблица 1-1 Енергия на сродство на електрона с неутрална частица за някои газове Елемент, газ Енергия на сродство, eV Водород, H2 0.7 Флуор, F 3.4 Хлор, Cl 3.6 Атомен кислород, O 1.4 Кислород, O2 0.4 Елегаз, SF6 1.0 - 1.7 1.5. Стадии на развитие на разряда 1.5.1. Волт-амперна характеристика на газова междина Електропроводимостта на газ в зависимост от напрежението има нелинеен характер. На фиг. 1-6 е показана волт-амперната характеристика на газова междина. 18 В първата зона на характеристиката е валиден закона на Ом. За плътността на тока j може да се запише j eE(nubu nubu nebe ) , (1-29) където e е зарядът на електрона; Е - интензитет на електричното поле; n - плътност на зарядите на положителни и отрицателни йони и електрони; b - подвижността на съответните токоносители. фиг. 1-6. Волт-амперна характеристика на газова изолация Тъй като подвижността на електроните е много по-голяма в сравнение с подвижността на йоните, то токът в началния момент при прилагане на напрежение се определя от движението на електроните. След първоначалното преминаване на електроните през междуелектродното пространство токът ще зависи от движението на йоните, а проводимостта в обема на газа се определя e(nu bu nu bu ) . (1-30) В първа зона (фиг.6), интензитетът на електричното поле е малък и недостатъчен за възникване на йонизация. Концентрацията на йони зависи от интензивността на естественото излъчване. Втората зона се характеризира с насищане, защото всички образувани йони в междуелектродното пространство от външен източник преминават през него, а нови йони не се образуват под действие на електричното поле. В третата област токът нараства експоненциално в резултат на възникване на процеси на ударна йонизация в обема на газа под действие на електричното поле. 1.5.2. Образуване на лавина При достатъчно голяма стойност на интензитета на електричното поле (около 2,5MV/m за въздух) броят на зарядите в резултат на ударната йонизация лавинообразно нараства. Влиянието на ударната йонизация може да се пренебрегне, поради малката подвижност на йоните, но трябва да се отчита прилепването на електроните към неутралните частици. Ефективният брой електрони е пропорционален на ефективния коефициент на ударна йонизация αeff eff , (1-31) 19 където η е коефициентът на прилепване. На фиг. 1.7 са показани зависимостите на коефициентите , и αeff за въздух. 100000 брой заряди, m-1 10000 α η α-η 1000 E, MV/m 100 0 2 4 6 8 10 фиг. 1-7. Зависимост на коефициента на йонизация , коефициента на прилепване и ефективния коефициент на ударна йонизация eff от интензитета на електричното поле за въздух при налягане 105 Pa. Зависимостта на ефективния коефициент на ударна йонизация от интензитета на електричното поле за въздух е апроксимирана от Шуман [1] с квадратична функция, съгласно уравнение (1-32) 2 E E k , p p p kp eff (1-32) 4 2 където k 2, 2.10 , mPaV е коефициент; (E/p)кр = 24,4 V/(mPa) - критичен интензитет приведен към налягане. За елегаз критичният интензитет е по-голям (E/p)кр = 87,7 V/(mPa). Електрично поле с интензитет на полето по-голям от критичния, създава условия за лавинообразно нарастване на броя на свободните електрони, като този брой на електроните dNe за разстояние dx по дължината на силовата линия на полето е равен на dNe eff Nedx, (1-33) където Ne е броят на електроните в началото на процеса. За еднородно поле, ефективният коефициент на ударна йонизация не зависи от разстоянието. За неравномерно електрично поле интензитетът е различен по дължина на силовата линия и ефективния коефициент на ударна йонизация зависи от интензитета (1-32). Ако се приеме, че в непосредствена близост до катода броят на електроните е N eo , то в точка между електродите, на разстояние x, броят на електроните ще при неравномерно поле е 20 x N e ( x ) N eo exp eff dx , 0 (1-34) а при равномерно електрично поле N e ( x ) N eo exp eff x . (1-35) В равномерно поле, когато е изпълнено условието за разряд, то един електрон, емитиран от катода води до образуването на Ne в челото на лавината N e exp eff x . (1-36) фиг. 1-8. Разпределение на интензитета на електрично поле с отчитане интензитета на обемните заряди Тези електрони се движат с голяма скорост и образуват главата на лавината (фиг. 1-8), която в следствие на дифузията може да се приеме за сфера. В тила на лавината бавно подвижните йони остават практически в мястото на йонизацията и образуват зона с положителен обемен заряд. Когато лавината достигне анода, зарядът на електроните се неутрализира от източника на напрежение, а в обема на газа остават положителните йони, които с малка скорост попадат върху катода. Положителните йони предизвикват емисия. Условието за самостоятелен разряд е, от катода да се отдели поне един електрон, който да възбуди нова лавина. N u ( N e 1) 1, (1-37) където γ е вторият коефициент на Таунсенд. Ако се отчита прилепването на електрони за електроотрицателни газове, условието за самостоятелен разряд е Nu ( N e 1) 1. (1-38) В този случай разрядът е многолавинен. Замествайки (1-34) в (1-38) се определя стойността на ефективния коефициент на ударна йонизация, при който се получава многолавинен разряд 21 ( ) dx ln 1 . 0 s (1-39) Ефективният коефициент на ударна йонизация, за равномерно електрично поле, не зависи от текущата координата x и условието за развитие на самостоятелен, многолавинен разряд се дава с уравнение (1-40) eff s ln 1 . (1-40) 1.5.3. Стример В челото на лавината интензитетът на електричното поле е по-голям, в сравнение с интензитета, създаден от конфигурацията на електродите и приложеното напрежение (среден интензитет). Непосредствено зад главата на лавината има изразен минимум на сумарния интензитет (тъмна зона). Големият интензитет на полето в челото на лавината я ускорява допълнително, а изкривяването на полето в тъмната зона на лавината създава условия за рекомбинация и излъчване на фотони в ултравиолетовия спектър. В резултат на фотойонизация и освобождаване на прилепналите електрони при облъчване възникват нови електрони в обема на газовата междина. Новите ефективни електрони създават нови лавини. При свързването на няколко лавини в общ канал се образува стример. Развитието на йонизирания канал на стримера в по-голямата част от междуелектродното пространство се дължи на фотоните чрез стъпална фотойонизация. Разрядът има стримерен механизъм, когато дължината на лавината стане по-голяма от дадена критична дължина, при което броят на електрони в главата на лавината стане по-голям от 108 . Критичен брой електрони Nкр се получава при дължина на лавината от няколко сантиметра за нормални атмосферни условия. Образуването на вторични лавини при достигане на критичен брой на електроните в първата лавина е условието за възникване на стримерен разряд, което може да се запише като x kp exp ( )dx N kp 108 , 0 (1-41) или x kp ( )dx ln N kp Kcm . (1-42) 0 За еднородно електрично поле, условието за развитие на стримерен разряд е ( ) xkp Kcm . (1-43) На фиг. 1.9 е показана схема на развитие на стример с начален електрон в близост 22 до анода, положителен стример, а на фиг. 1.10, на отрицателен стример. фиг. 1-9. Схема на развитие на положителен стример. фиг. 1-10. Схема на развитие на отрицателен стример. 1.5.4. Лидер Голямата плътност на тока в канала на стримера повишава температурата и създава условие за развитието на термойонизация. Термойонизацията генерира нови заряди с голяма плътност и градиентът на полето намалява. Преобразуваният канал на стримера под действието на висока плътност на тока и термойонизационни процеси се нарича лидер. В съответствие с модела на Галинберти [1], в канала на лидера е нарушено термичното равновесие между електроните и газа. Възникналите в зоната на короната електрони попадат в канала на лидера и предават натрупаната от тях кинетична енергия на молекулите на газа, като след удара, молекулата започва да се колебае и след определено време 20-30 s, това колебание се преобразува в температура. Механизмът на лидерния етап на развитие на разряда е недостатъчно изучен. Предполага се, че предпоставка за възникване на лидерния стадий е достигането на голяма плътност на тока. За реалните изолационни конструкции това е възможно при големи разстояния между електродите. Лидерен стадий на развитие на разряда е възможен при по-малки разстояния, където има голяма проводимост между канала на стримера и насрещния електрод. Явлението се наблюдава при разряд по повърхността на диелектрик. 1.5.5. Главен канал Подобно на развитието на лидера, при йонизирането на газовото пространство между двата електрода, започват интензивни процеси на ударна йонизация и съответно увеличение на плътността на тока. Различни емпирични зависимости описват процеса на базата на енергийни зависимости. Най-достъпен за разбиране е законът на Теплер. Теплер предполага, че повишаването на проводимостта между двата електрода е в резултат на интензивна ударна йонизация на електрони под действие на напрежението на източника. Тъй като подвижността на йоните е малка то процесът основно се обуславя от движението на електроните, с плътност на тока 23 J enebe E , (1-44) където ne e плътността на електроните; be -подвижността на електроните; Е - интензитетът на електричното поле в аксиално направление. Като се имат предвид зависимостите dne eff ne dx (1-45) dx be Edt то, скоростта на изменение на броя на електроните може да се изрази чрез диференциалното уравнение dne dne dx eff nebe E . (1-46) dt dx dt След като се положи (1-44) в (1-46) и се интегрира се получава зависимостта на броя на електроните във функция от времето eff t Jdt . (1-47) e 0 Полученият резултат за ne се поставя в уравнение (1-44) за плътността на тока. Отчитайки закона на Ом, може да се определи специфичното съпротивление в канала на разряда (J = E/), а от там да се изчисли съпротивлението на канала на разряда ne R l S l t eff be idt , (1-48) 0 където l е дължината на канала на разряда; S - сечението на канала на разряда; i = J.S -токът в канала на разряда. Полученият резултат е в сила при условие, че плътността на тока е еднаква по цялата дължина и сечение на канала на разряда. Тъй като ефективният коефициент на ударна йонизация αeff нараства с повишаване на интензитета на електричното поле, а подвижността на зарядите be намалява, то може да се приеме, че произведението им e постоянна величина, което определя т.нар. коефициент или константа на Теплер KT 1 eff be . (1-49) В таблица 1-2 са дадени стойности на константата на Теплер за някои газове [1]. Таблица 1-2. Газ Азот Въздух Аргон Елегаз 24 КТ 0.4 0.5-0.6 0.85 0.4-0.8 След заместване на константата на Теплер в (1.48) за съпротивлението в канала на дъга във функция от времето се получава R KT l t idt . (1-50) 0 Както се вижда от израза (1-50), съпротивлението на главния канал на разряда намалява по нелинеен закон във функция от времето и зависи от мощността на захранващия източник, разстоянието между електродите и вида на газа. 1.6. Закон на Пашен Пашен опитно доказва, че разрядното напрежение в еднородно електрично поле е функция на произведението от разстоянието между електродите s и налягането p U р f ps (1-51) Тази зависимост се извежда теоретично от условието за развитие на разряда, съответно при стримерен и многолавинен разряд ( ) s K cm . ( ) s ln 1 (1-52) И в двата случая, дясната страна на неравенството е постоянна величина при равномерно електрично поле. Условието за развитие на разряда общо може да се дефинира: K . (1-53) p ps Лявата страна на неравенството (1-53) представлява отношението на ефективния коефициент на ударна йонизация към налягането на газа. За електроположителни газове =0 и отчитайки, че K2 Up ps p K1 e K2 E / p , за (1.53) се получава K . (1-54) ps Решавайки последното неравенство относно разрядното напрежение се получава математичен израз на закона на Пашен K1e 25 Up където K1 K 2 ps K ps , ln 1 K (1-55) as a W и K2 s u са коефициенти за дадения вид газ; kT ekT K ln(1 1 / ) при многолавинен разряд и К=Кст при стримерен разряд. Законът на Пашен (1.55) е функцията с минимум, като по опитни данни на законът е илюстриран на фиг. 1.11. Куфел и Ценгел [1] предлагат апроксимираща крива по данните от фиг.1-11 за стойности на (ps) по-големи от минимума. Уравнението на апроксимиращата крива е = 6.72 + 24.36( ). (1-56) Зависимостта има добро съвпадение с опитните данни за дясната част от кривата в диапазона (10-2 ÷ 5.102) bar.mm. Лявата част от апроксимиращата крива при по-малки стойности на (ps) от минимума се изразява със зависимостта . = 0,0162 ( ) + 0,127, (1-57) Общата апроксимираща функция, сумата от (1.56) и (1.57), е = 6,72 + 24,36( ) + 0,0162 . ( ) + 0,127, (1-58) което е илюстрирано на фиг.1-11 за диапазона (10-3 ÷ 5.102) bar.mm. фиг. 1-11. Закон на Пашен и апроксимираща зависимост по уравнение (1-58) Характерното повишаване на разрядните напрежения (1-57) за малки стойности на произведението (ps) в ляво от минимума на графиката се дължи на по-голямата дължина на свободния пробег на частиците от разстоянието между електродите. Зарядите преминават разстоянието s без да предизвикват взаимодействие с неутрални частици. Този феномен се използва в практиката за създаване на 26 вакуумни съоръжения. Законът на Пашен дава основните конструктивни методи за постигане на електрична якост на съоръженията с газова изолация: чрез повишаване на налягането на газа или чрез увеличаване на разстоянието между електродите. 1.7. Разряд в неравномерно електрично поле 1.7.1. Оценка на неравномерността на електричното поле В зависимост от формата на електродите, електричното поле е равномерно, когато във всяка точка от полето интензитетът E има една и съща стойност. Електричното поле е неравномерно, когато в дадена точка полето има максимална стойност Emax. Видът на полето се задава с коефициента на неравномерност = = = , (1-59) където Knon е коефициентът на неравномерност на електричното поле; Emax - максималният интензитет на електричното поле; Emean U - средният интензитет на електричното поле. s Реципрочната стойност на коефициента на неравномерност е известна като ‘field efficiency factor’ η, коефициент на Швайгер [1]. По стойността на коефициента на неравномерност Knon електричните полета са: равномерно Knon = 1; практически равномерно (между две сфери) Knon = 1,1 1,5; неравномерно (в електротехническите устройства) Knon = 1,5 4; силно неравномерно (електроди острие - плоскост) Knon > 4. Съвременните методи за определяне на максималния интензитет на електричното поле са изчислителни процедури с интегриране по метода на крайните елементи. Пример за неравномерно електрично поле е полето между фазов проводник на въздушните електропроводни линии спрямо земната повърхност. Интензитетът на електричното поле E(y) по оста перпендикулярна на земната повърхност на разстояние от проводника y e E ( y) 2U , 2h y ln r (1-60) където U е приложеното напрежение; h - височината на проводника над земната повърхност; r - радиусът на проводника. Разпределението на интензитета (1-60) е илюстрирано на фиг. 1-12. Максималният интензитет на полето се получава на повърхността на проводника E (0) Emax 2U 2h . r ln r (1-61) 27 фиг. 1-12. Интензитет на електричното поле в зависимост от разстоянието y от проводника до земната повърхност Коефициентът на неравномерност в този случай е K Emax Emax 2h . U Ecp 2h r ln h r (1-62) В неравномерно електрично поле е възможно да се развие чисто стримерен разряд. При силно неравномерно поле, условието за развитие на стримерен разряд се изпълнява само в част от обема на електродното пространство и то в близост до електрода, с малък радиус на закръгление. Това явление е известно като “корона”. 1.7.2. Електрично поле на обемен заряд При развитие на разряда е възможно да се формира в електродното пространство зона със свободни носители на заряди. За плоско поле в газ с обемни заряди е в сила уравнението на Поасон 2 , (1-63) 2 x a където е плътността на заряда; a - абсолютната диелектрична проницаемост; - потенциалът на разстояние x по оста между електродите. След интегриране на (1.63) при гранични условия (0)=0 и (s)=U се получава U ( x) x x( s x ) , (1-64) s 2 a където е плътността на заряда; a - абсолютната диелектрична проницаемост; (x) - потенциалът на разстояние x; s - разстоянието между електродите; U - приложеното напрежение. Интензитетът на електричното поле е d( x) U E ( x) ( s 2 x) , (1-65) dx s 2 0 а интензитетът на обемния заряд е 28 Eоб ( x) ( s 2 x) . 2 0 (1-66) При равномерно разпределение на заряда в обема на газа между двата електрода се формира интензитет на обемния заряд, показан на фиг. 1-13. фиг. 1-13. Електрично поле при равномерно разпределен обемен заряд При неравномерно разпределение на заряда в междуелектродното пространство, интензитетът на електричното поле е показан на фиг. 1-14. При отрицателен обемен заряд се променя знакът на вектора на интензитета на заряда, а посоката на векторите на интензитета са противоположни. На фиг. 1-15 е илюстрирано разпределението на интензитета на обемен заряд съсредоточен в дадена зона между двата електрода. фиг. 1-14. Собствен интензитет на положителен и отрицателен обемен заряд U x център на заряда E=U/s Eоб фиг. 1-15. Електрично поле при неравномерно разпределен заряд по оста между два електрода 29 1.7.3. Изменение на електричното поле под действие на обемните заряди Положително острие - плоскост +U -U E Emax Eкр Eг х а)Разпределение на интензитета на електричното поле по оста x между положително острие и плоскост при неравномерно поле. Електрически център на положителния обемен заряд +U -U E Emax Eкр E Eг +E+ x б)Разпределение на електрическото поле положително острие отчитане на полето обемен заряд. интензитета на по оста x между и плоскост при на положителния При подаване на постоянно напрежение на електродите в зоната около острието, където е изпълнено условието за ударна йонизация, означено на фиг.1-16 а. като , настъпва самостоятелен стримерен разряд. При неравномерно електрично поле, условието за самостоятелен разряд може да се изпълни само в част от обема. Електроните имат значително поголяма скорост и попадат на острието. Положителните йони се движат към плоскостта, но по-бавно спрямо електроните и образуват положителен обемен заряд. Положителният обемен заряд създава собствено електрично поле с интензитет E+ (фиг. 1-16 б). Резултантното електрично поле, сумата Ег+E+, създава условия за разширяване на зоната, в която е изпълнено условието за самостоятелен разряд Ег+E+об>Екр. Това улеснява изпълнението на условието за ( ) s K стримерен разряд в cm , цялото разстояние между електродите при по-ниски напрежения. Наблюдават се по-малки разрядни напрежения при положително острие под влиянието на положителния обмен заряд. В нееднородно електрично поле разрядът е стримерен; при по-големи междуелектродни разстояния (>4 m) и импулсни напрежения е възможно да възникне лидерен стадий. фиг. 1-16. 30 Отрицателно острие - плоскост -U +U x Eг Eкр Emax E Електрически център на положителния обемен заряд Електрически център на отрицателния обемен заряд -U +U E- E х Eкр Emax Eг E E + - E фиг. 1-17. Разпределение на интензитета на електричното поле по оста x между отрицателно острие и плоскост при отчитане на полето на обемните заряди. Както при постановката положително острие - плоскост тук се образуват лавини, в обема в близост до острието. Част от електроните преминават през пространството между двата електрода и попадат на плоскостта. Поради малкия интензитет на електричното поле при електроотрицателните газове друга част от електроните прилепват към неутрални молекули и образуват отрицателни йони. Отрицателните йони и електроните, които не са достигнали до плоскостта, образуват отрицателен обемен заряд със собствен интензитет Е-, фиг.1-17. За разлика от случая положително острие - плоскост положителните йони се движат към острието, но не всички попадат на него. Така положителният обемен заряд е разположен по-близо до острието. Резултантният интензитет е сумата Ег+Е++Е-. Той има по-големи стойности в близост до острието и плоскостта. В останалото пространство e по-малък, което затруднява процеса на йонизация. Следователно разрядът ще настъпи при по-високи напрежения. При променливо напрежение се наблюдава интензивна светлина около острието през отрицателния полупериод на напрежението. В отрицателния полупериод, явлението се наблюдава за малки стойности на напрежението, отрицателна корона с импулси на Тричел. 31 1.8. Закъснение на разряда, време за развитие на разряда в газ. Волт-секундна характеристика. 1.8.1. Волт-секундна характеристика Волт-секундната характеристика е статистическата зависимост на времето за развитие на разряда във функция от амплитудата на приложеното импулсно напрежение. Зависимостта се представя в координатната система напрежениевреме и има намаляващ характер. Формата на волт-секундната характеристика зависи от вида на електричното поле. При неравномерно електрично поле кривата има плавно намаляващ характер, фиг. 1-18. фиг. 1-18. Волт-секундна характеристика на искрова междина острие-сфера 1.8.2. Стандартна импулсна вълна на напрежение Високото импулсно напрежение е с форма на вълната, която моделира атмосферните пренапрежения в електроенергийната система. фиг. 1-19. Форма на стандартна пълна вълна на напрежение по IEC 60060-1 Вълната на напрежение има следните параметри: Фронт на вълната – това е времето T1 на повишаване на напрежението до максимална стойност; Тил на вълната – това е времето T2 на намаляване до половината от максималната стойност. 32 Тези параметри зависят от случайния характер на мълнията. Амплитудата, продължителността на фронта и тила на вълната се определят от големината на заряда на мълнията. Първият разряд на многократна мълния има по-голям заряд и по-малка скорост на развитие, а последващите разряди са с по-малък ток, т.е. помалка амплитуда на атмосферното пренапрежение, но с по-малка дължина на фронта и тила на вълната. В стандарта IEC 60060-1 е прието да се използва средно статистическите параметри на вълната на пренапрежение, фиг. 1-19. Продължителността на фронта T1 се определя чрез линейна му апроксимация, правата прекарана през т.А (0,3 Umax) и т.В (0,9 Umax). При апроксимацията са изпълнени следните зависимости: Т‘=0,3Т1=0,5Т; Т1=1,67Т. Стандартната вълна на напрежение има продължителност на фронта Т1 = 1,2±0,36 µs и продължителност на вълната Т2 = 50±10 µs. 1.8.3. Статистическото време на закъснение на разряда Статистическото време на закъснение на разряда е сумата от четири времена: времето tо за достигане на напрежението Uo, при което интензитетът на електричното поле става равен на критичния интензитет Ео; статистическото време на очакване на първия ефективен електрон tе; време за развитие на стримера tс; време за развитие на главен канал на разряда tгк. фиг. 1-20. Компоненти на времето за развитие на разряда Електричната якост при въздействие на импулсно напрежение е статистическа величина и се дава с т.нар. петдесет процентно разрядно напрежение U50%. Петдесет процентното разрядно фиг. 1-21. Вероятност за развитие на разряд във напрежение е максималната стойност функция от Um на импулсно напрежение, при която вероятността за настъпване на разряд е P=0,5 (50% от приложените вълни на напрежение предизвикват разряд). Емпиричното разпределение на случайната величина се апроксимира с нормален закон, фиг. 1-21. 33 1.8.4. Измерване на волт-секундна характеристика Измерването на волт-секундната характеристика се прави за пет статистически точки от кривата. Измерват се напрежението и времето за възникване на разряда, а резултатите се записват в табличен вид. Точка 1 Точка 2 Точка 3 Точка 4 Точка 5 Up, kV tp, µs Up, kV tp, µs Up, kV tp, µs Up, kV tp, µs Up, kV tp, µs Up11 tp11 Up12 tp12 Up13 tp13 Up14 tp14 Up15 tp15 … … … … … … … … … … 1 1 2 2 3 3 4 4 5 Uрi tрi Uрi tрi Uрi tрi Uрi tрi Uрi tрi5 … … … … … … … … … … 1 1 2 2 3 3 4 4 5 Upn tpn Upn tpn Upn tpn Upn tpn Upn tpn5 Umean1 tmean1 Umean2 tmean2 Umean3 tmean3 Umean4 tmean4 Umean5 tmean5 σU1 σt 1 σU 2 σt 2 σU 3 σt 3 σU 4 σt 4 σU 5 σt 5 uU1 u t1 uU 2 ut 2 uU 3 ut 3 uU 4 ut 4 uU 5 ut 5 За всяка статистическа колона се изчислява средната стойност Umeanj, tmeanj дисперсията σU j , σt j и неопределеността на оценката ut j, ut j. На графика се нанасят средните стойности и диапазона на отклонение за всяка статистическа точка. t, µs фиг. 1-22. Волт-секундна характеристика по опитни данни за искрова междина острие-сфера Видът на волт-секундната характеристика зависи от формата на електродите, които определят еднородността на електричното поле. На фиг. 1-23 са показани волтсекундните характеристики за равномерно и неравномерно електрично поле при равни петдесет процентни разрядни напрежения. 34 фиг. 1-23. Волт-секундни характеристика за опитна постановка острие-сфера (⸳⸳⸳⸳⸳ неравномерно поле) и сфера-сфера (⸺ равномерно поле) при равни петдесет процентни разрядни напрежения, U50% = 100 kV. 1.9. Корониране във въздух. 1.9.1. Корониране във въздух при постоянно напрежение за постановка острие-плоскост и острие-сфера. Коронен разряд, или корона е непълен, самостоятелен разряд, който възниква в нееднородно електрично поле около електрода с малък радиус на закръгление. Йонизационните процеси протичат в обема между двата електрода с интензитет на полето по-голям от началния интензитет на корониране. Най-често изследванията се правят, с електродна система острие - плоскост или подобната й електродна система острие - сфера. На фиг. 1-24 са показани зоните на появяване и развитие на явлението корона при постоянно напрежение в зависимост от разстоянието между електродите. Зони на разряда при положително острие-сфера Зони на разряда при отрицателно острие-сфера 100 140 90 80 120 70 Udc, kV Udc, kV 100 80 Стримерна корона със светеща зона 60 60 50 40 30 40 Импулси на Тричел 20 10 20 Няма разрядни процеси 0 0 5 10 15 20 Разстояние между електродите s, cm 25 Няма разрядни процеси 0 30 0 1 2 3 4 5 Разстояние между електродите s, cm 6 фиг. 1-24. Зони на разряда при постановка острие-сфера При стойност на приложеното напрежение по-голяма по началното напрежение на корониране, около острието започва ударна йонизация, което е свързано с образуването на електронни лавини. Протича ток образуван от импулси със заряд 35 2300 ÷ 2600 pC за положително острие и 240 ÷ 260 pC, когато острието е с отрицателна полярност. а - положително острие (2mА 50ns) б – отрицателно острие (0,4 mА , 20 ns) фиг. 1-25. Форма на импулсите на тока при корониране През 1939 г. Тричел първи е изследвал отрицателните импулси на коронен разряд за опитна постановка отрицателно острие-плоскост. Импулсите на Тричел са 1,165±0,005 mA с форма 0,012/0,025 µs1. Честотата на повторение на импулсите зависи от големината на напрежението. Повишаването на напрежението води до увеличаване на броя на импулсите на Тричел за единица време (не се променя амплитудата им, а измереният среден ток расте). Импулсите на тока при начално напрежение на корона за положително острие са с амплитуда 7,2±0,1 mA с форма 0,017/0,065 µs. Коронирането на положително острие е съпроводено с промяна на амплитуда до 15 ÷ 40 mA с нарастване на продължителността на вълната. Тя има форма (0,015÷0,03)/(0,8÷1,2) µs. С увеличаване на напрежението нараства средният ток, като при стойности на тока 10-6 ÷ 10-8 А се забелязва слабо светене. При ток със стойност по-голяма от 10-5 А, разрядът става самостоятелен. Интензитетът на повърхността на проводника, при който започва развитието на самостоятелен разряд се нарича начален интензитет на електричното поле на възникване на корона. За изчисляването му се използват емпирични изрази. За гладък полиран цилиндричен проводник, началният интензитет на електричното поле на повърхността на проводника се изчислява с израза н = 2,45. . 1 + ( , , . ) , ⁄ , (1-67) където δ е относителната плътност на въздуха; r - радиусът на проводника. За проводници с относително малки радиуси (r <10 mm), се използва и формулата на Пик н 1 = 30,3. . 1 + ( , . ) , , ⁄ . (1-68) 0,012 µs – продължителност на фронта на импулса; 0,025 µs – продължителност на импулса 36 Коронирането на проводниците се различава от короната с формата на острие с наличието на много на брой места на корониране. При стойности на интензитета на електричното поле над началния, проводниците коронират по цялата си дължина и около тях се създава значителен обемен заряд1. 1.9.2. Корониране при постоянно напрежение на проводници. Видът на електричното поле проводник-плоскост в напречно на оста на проводника сечение, има форма, много близка до тази на постановката острие-плоскост. Реалните проводници винаги имат локални неравности по повърхността, които са източници на корониране. Поради значителната дължина на проводника, коронират голям брой локални източници, а общият ток се определя с интеграла на зарядите от отделните източници на корониране. Коронирането само на един електрод към земя се нарича униполярно корониране. Ако двата проводника са на достатъчно голямо разстояние, те коронират независимо един от друг. Във външната зона на корониране, зарядите се движат един срещу друг от двете полярности, които практически рекомбинират напълно и двата проводника коронират униполярно (независимо един от друг). При реалните проводници, в средата на разстоянието между тях (зоната с нулев потенциал), пълна рекомбинация не настъпва и част от йоните от единия проводник проникват във външната зона на корониране на насрещния проводник. Тези йони увеличат интензитета на електричното поле до проводниците и усилват коронирането. При биполярно корониране, токът от корона и загубите на мощност и енергия са поголеми, отколкото при униполярно корониране. Загубите от корона при постоянно напрежение аналитично се определят с опитно получаване на волт-амперната характеристика за единица дължина на проводника. С известно приближение волт-амперната характеристика може да се опише с израза = . ( − където ) (1-69) е коефициент, зависещ от геометричните размери на проводника и от коефициентите на подвижност и рекомбинация на йоните; – приложеното напрежение; – началното напрежение на корониране. Загубите на мощност от корониране се определят с произведението от тока от корона и напрежението = . = . .( − ). (1-70) Мощността и енергията на корона, за въздушни електропроводни линии за постоянно напрежение, могат да се намалят като се намали на напрежението на проводника с положителен потенциал за сметка на по-големите напрежения на 1 Обемен заряд – натрупаните положителни и отрицателни йони между електродите 37 проводника с отрицателен потенциал. Положителната корона може да се намали чрез: нанасяне на покрития на положителния проводник, с което се намалява интензитетът на електричното поле; използването на гладки проводници; нанасянето на покрития, които намаляват количеството на образувания на лед и скреж по проводниците. 1.9.3. Корониране при променливо напрежение. При променливо напрежение с промишлена честота, интензитетът на повърхността на електрода се променя синусоидално. Промяната на моментните стойности на напрежението при електропроводи за високо напрежение води до динамика на в процеса на корониране и в големината на обемния заряд. Всеки полупериод се сменя полярността на проводниците, което предизвиква промени на посоката на движение на йоните и електроните от обемния заряд. Аналитичните изследвания показват, че за времето на един полупериод на напрежението, йоните от обемния заряд се отдалечават от проводниците на разстояние не повече от 40 cm и се връщат към него в следващия полупериод на напрежението. Реалните разстояния между фазовите проводници на електропроводите за високо и свръх високо напрежение са значително по-големи и следователно, може да се приеме, че няма прехвърляне на заряди между проводниците на съседните фази, т.е. те коронират независимо една от друга. В такъв случай общите загуби от коронирането на един трифазен електропровод са сума от загубите в трите фази. Измерванията показват, че известна част от зарядите постепенно се преместват (дифузия) и достигат проводниците на съседните фази, но тази част от зарядите е много малка в сравнение с общия заряд и може да се пренебрегне. На осцилограми е показано изменението на амплитудата, честотата на повторение и зоната на поява на импулсите от корона на острие във въздух. Осцилограми, от осц. 1.1 до осц. 1.4 и съответните снимки на светещата зона, сн.1.1 до сн.1.4, илюстрират развитието на корона от острие във въздух при повишаване на напрежението. Началното напрежение на поява на корона (импулси на Тричел) в отрицателния полупериод (осц. 1.1, сн.1.1) е от два до три пъти по-малко от началното напрежение на корона в положителния полупериод, (осц. 1.3, сн. 1.3). Светещата зона е малка в непосредствена близост до острието, сн.1.1., като не се наблюдава промяна при повишаване на напрежението. Положителната корона увеличава дължината на стримерите при повишаване на напрежението, сн. 1.4., където има ясно изразен ствол на стримерните канали. 38 Положителни импулси на корона в положителен полупериод на променливо напрежение с промишлена честота Импулси на Тричел в отрицателен полупериод на променливо напрежение с промишлена честота Снимки на корона до острие 10 mV/cm Осц. 1. Начално напрежение на поява на отрицателна корона Снимка 1.1 10 mV/cm Осц. 2 Нарастване на броя на импулсите на Тричел при повишаване на напрежението 10 mV/cm 1 V/cm Осц. 3а Начално напрежение на поява на положителна корона Снимка 1.2 Осц. 3б Импулси на Тричел при начално напрежение на положителна корона 1 V/cm 10 mV/cm Осц. 4а Увеличение на броя на импулси от положителна корона Осц. 4б Промяна на амплитудата и фазата на импулсите на Тричел Снимка 1.3 Снимка 1.4 За проводник се наблюдават локални източници на корона, подобно на острие във въздух, сн. 1.5. 39 Сн. 1.5. Корона от проводник при променливо напрежение. Короната създава: светлинно излъчване; високочестотни вълнови процеси; акустична емисия; образуването на озон; преобразуване на електричната енергия в топлинна. Вторичните ефекти на корона са нежелателни. Намаляването на действието на корона се постига с избор на подходящо сечение и конфигурация на проводниците и вид на покритието на повърхността им. 1.9.4. Избор на сечение на проводниците за въздушни електропроводни линии. Изборът на сечението и на вида на проводника трябва да гарантира преносната способност на електропроводната линия при приемливи технологични разходи. Сечението на проводника, трябва да се избере така, че да се избегне короната при най-продължителните, благоприятни метеорологични условия. Обикновено това е сухо време с относителна влажност на въздуха по-малка от 80% и до 1000 метра над морското равнище. С един проводник не е възможно да се овладее короната за електропроводни линии с напрежения над 220 kV. Класическият подход, прилаган от 1912 г., е да се монтират т.нар. снопови проводници. Броят на проводниците, тяхното сечение и разположение в снопа се конструира така, че да се гарантира условието за приемливи загуби от корона. Това означава, интензитетът на електричното поле на повърхността на проводника да е по-малък с 20% от началния интензитет на възникване на положителна корона. Максималният интензитет на електричното поле на повърхността на проводника се изчислява със закона на Гаус 0 Еda dv . S (1-71) V Приема се цилиндрична форма на електричното поле, където интензитетът E е равен на E q 2 0 r , (1-72) където q е линейна плътност на заряда, C/m; 40 εа – абсолютната диелектрична проницаемост, F/m r – разстоянието от центъра на проводника, m. Максималният интензитет на електричното поле се получава на повърхността на проводник Emax U , 2h r0 ln r0 (1-73) където Emax е максималният интензитет на електричното поле, V/m; U - максималната стойност на фазното напрежение на проводника, V; r0 - радиусът на проводника, m; h - средна височина на проводника, m. За снопови проводници, интензитетът на полето по повърхността на проводника се приема Emax U r 1 (n 1) 0 2h R rе ln , rе (1-74) re n nr0 R ( n1) където re е еквивалентният радиус на снопа; R – радиусът на снопа от проводници. Максималният интензитет на електричното поле на повърхността на проводника при номинално напрежение на електропроводната линия трябва да е по-малък от допустимия Emax Eдоп , (1-75) където Eдоп kEн е допустим интензитет на повърхността на проводника; Ен – начален интензитет на възникване на корона; k – коефициент на запас, който отчита отклоненията на напрежението и относителната плътност на въздуха. В практиката се използват следните стойности за коефициента k: k=0,80 за електропроводни линии 110 kV и 220 kV; k=0,85 за електропроводни линии 400 kV; k=0,90 за електропроводни линии 750 kV. Условието да не се получава корона, за сух период от време на морското равнище е 30,3.m. .rо. ln U 2 2h 1,2 eff , rо 3 (1-76) 41 2h 6,1 типично на електропроводни линии високо напрежение; r0 т = 0,82 – коефициент на гладкост на повърхността на проводника; δ =1 – относителна плътност на въздуха на морското равнище. където ln При направените допускания, за единичен проводник се получава условието, радиусът му да бъде по-голям от r0 ≥ 0,0065 Ueff , mm (1-77) където Ueff е ефективната стойност на линейното напрежение, kV. За единичен проводник на фаза необходимия диаметър на проводника изчислен със запас 20% е даден в таблица 3. Таблица 1-3. Необходим диаметър и сечение на проводник изчислен от (1-77) Клас на Сечение на Диаметър на напрежение U, проводника S, проводник D, kV mm2 cm 110 145 1,5 220 580 2,9 400 1920 5,4 Илюстрация на числовите стойности 1.9.5. Технологични разходи от корона. Средната годишна мощност от корона за трифазна линия се определя със сумата от произведенията на специфичните мощности от корона и продължителността на конкретното метеорологично време [3] Е Е Fхв max Еmax 2Т хв Fд max Еmax 2Т дъжд Ен Ен, 1 nr 2 t t Рк , kW/km 8760 2 2 Еmax Еmax Еmax Т сняг Fл Еmax Т лед Fс Е t н, 1 Ен , 1 t (1-78) където δ е относителната плътност на въздуха Активната специфична мощност за един проводник се определя с Emax P F r02 Emax Eн , (1-79) където P e специфичната мощност на корона; r0 – радиус на проводника; Еmax – интензитет на повърхността на проводника; 42 Ен – начален интензитет на корона. Зависимостта (1-79) се апроксимира с експоненциална функция P ae nr Emax E b max c Eн 2 0 2 , (1-80) където a, b, c са емпирични коефициенти. Апроксимираните криви са илюстрирани на фигура 1-26. F(Em/Eo), kW/(km.mm2) 60 50 40 30 20 10 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Em/Eo фиг. 1-26. Функция на загубите за голи проводници при различни атмосферни условия: ⸺ Fх.в – хубаво време; ⸳⸳⸳⸳ Fд - дъжд и мокър сняг; - - - Fс – сняг; === Fл – скреж, лед Намаляването на технологичните разходи от корона се постига с увеличаване на сечението на проводниците, броя на проводниците в снопа и с полагането на покрития на проводниците. Покритията имат ултравиолетова защита и са комбинация от изолационен материал и полупроводима компонента за повишаване на диелектричната проницаемост на материала. Възможно е създаването на хидрофилни повърхности за намаляване на възможността за образуване на капки и скреж по повърхността. Конструктивната дебелина на покритието и вида на повърхностния му слой (хидрофилен, гладък, с малка адхезия с лед) се избират в зависимост от метеорологичните особеност на даден район. На фигури 1-27, 1-28, 1-29 и 1-30 са показани данни за специфична средна мощност и енергия от корона за електропроводни линии високо и свръх високо напрежение в зависимост от сечението на проводниците. 110kV kW/km 220kV MWh/km 0,6 MWh/km 50 45 0,5 40 35 MWh/km 0,4 MWh/km kW/km 0,3 0,2 30 25 20 15 10 0,1 5 0 0 0 100 200 mm2 300 фиг. 1-27. За ВЕЛ 110 kV 400 500 0 100 200 mm2 300 400 500 фиг. 1-28. За ВЕЛ 220 kV 43 Зависимост на средната мощност и енергия на технологичните разходи от корона 2xASO xxx mm2 - 400kV kW/km MWh/km 140 120 MWh/km 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 mm2 400 500 600 фиг. 1-29. Зависимост на средната мощност (⸳⸳⸳⸳⸳●⸳⸳⸳⸳⸳kW/km) и енергия на технологичните разходи от корона (⸺●⸺ MWh/km) при различни сечения на проводника за ВЕЛ 400 kV с два проводника в снопа 3xASO xxx mm2 - 400kV kW/km MWh/km 140 120 MWh/km 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 mm2 400 500 600 фиг. 1-30. Зависимост на средната мощност (⸳⸳⸳⸳⸳●⸳⸳⸳⸳⸳kW/km) и енергия на технологичните разходи от корона (⸺●⸺ MWh/km) при различни сечения на проводника за ВЕЛ 400 kV с два проводника в снопа 44 2. РАЗРЯД ПО ПОВЪРХНОСТТА НА ИЗОЛАЦИЯТА 2.1. Разряд по повърхността на сух и чист диелектрик Електричната якост на изолационните системи е комбинация от три паралелно работещи междини: твърда изолация, околна газова или течна среда и гранична повърхност между тях. Координацията на изолацията на трите междини подрежда електричната якост по възходящ ред от външната (газовата) изолация към вътрешната (твърда) изолационна междина, за да може отказите в изолационните системи да се развиват в самовъзстановяваща се електрична изолация (газова или течна). Граничната изолационна повърхност е мястото на отлагане на замърсители, което намалява електричната якост по повърхността на изолацията, особено при намокряне. Изборът на форма на стрехите на изолатора и броя на изолационните елементи в изолаторната верига се определя от вида и количеството на замърсителите. Изолаторите се делят на две групи: подпорни, фиг. 2-1 а). и проходни, фиг. 2-1 б). а). б). фиг. 2-1. Конструкции на подпорен тип изолатори а) и на проходен тип б). 45 При подпорния тип изолационна конструкция, електричното поле е с тангенциална компоненти по повърхността. Разрядът по разделителната повърхнина между двете изолационни среди е в резултат на неравности по повърхността на изолатора, които увеличават интензитета на електричното поле. При гладка и чиста повърхност на изолатора, разрядните напрежения са близки до разрядните напрежения на газовата междина. Електричната якост намалява от образуването на проводим слой по повърхността на изолатора в резултат на замърсяването. Големината на разрядното напрежение се определя от електропроводимостта на замърсения слой и характеристиките на възникнала електрична дъга. При проходния тип изолационни системи силовите линии на полето са насочени практически перпендикулярно на повърхността на изолатора. Развитието на разряда напречно през твърдата изолация е невъзможно. Разрядът се развива по повърхността на изолатора и се нарича пълзящ разряд. 2.2. Пълзящ разряд по повърхността на чист и сух изолатор Каналът на пълзящия разряд се характеризира с висока степен на йонизация и малък градиент на напрежението, подобно на лидерния разряд в газа. Ако стволът на пълзящия разряд, завършващ с пълзящи стримери, свърже двата електрода по повърхността, то възниква дъга. На фиг. 2-1 е показан пълзящ разряд по повърхността на полимерен (фиг. 2-1 а) и проходен изолатор 110 kV (фиг. 2-1 б), с последващ разряд и развитие на дъга между двата електрода. Пълзящи стримери с дължина от няколко сантиметра имат плътност на тока, достатъчна за образуването на лидерен стадий в развитието на разряда. В газова междина, дължината на стримера, необходима за образуването на лидерен разряд, трябва да бъде по-голяма от един метър. При висока честота на приложеното напрежение, е възможно образуването на лидерен разряд в газ и при по-малка дължина на стримера. Токът на пълзящия разряд се формира от капацитетната проводимост. Ако дебелината на изолацията е d, а единият електрод е плосък, то големината на специфичния капацитет C’ е пропорционална на абсолютната диелектрична проницаемост εa=εo⸳εr , и обратно пропорционална на разстоянието между електродите C ' 0 r 1 . d (2-1) RF U R’F R’F На фиг. 2.2 е показана C‘ C‘ d C o r принципната схема на проходен тип изолация с б). пълзящ разряд по а). повърхността и заместваща фиг. 2-2 Проходен тип електрична изолация с пълзящ схема. Последователно на разряд по повърхността а). и заместващата схема б) съпротивлението RF на ствола 46 на пълзящия разряд е включен капацитетът C’ към повърхността на срещуположния електрод, който е под пълзящия стример, със стойност C kC' , (2-2) където k е коефициент, отчитащ неравномерното разпределение на специфичната проводимост в канала на пълзящия разряд. Когато отделената енергия в канала на разряда е достатъчна за да се получи термойонизация в ствола, като е изпълнено условието 1 CU р2 WT , то се образува 2 термойонизиран канал на пълзящия разряд. Напрежението на източника се приема равно на начално напрежение за възникването на разряда с големина 2WT 2WT Uр d, (2-3) kC ' k 0 r където WT е енергията за термойонизация на газа; k - коефициент, отчитащ неравномерното разпределение на специфичната проводимост в канала на пълзящия разряд; εa=εo⸳εr - абсолютната диелектрична проницаемост; d - дебелината на изолацията. При променливо напрежение с промишлена честота за началното напрежение на възникване на разряда е валидна следната емпирична зависимост 0 , 44 1 U р 75 d , kV (2-4) r където d e дебелината на изолацията, cm; εr - относителната диелектрична проницаемост на твърдия диелектрик. Пълзящи разряди не трябва да възникват по повърхността на изолатора при работа, включително при изпитване с повишено напрежение. Това е условието за избор на дебелината на изолацията. s d D фиг. 2-3 Скица на проходен изолатор Дебелината на изолацията d и диаметърът D на проходния изолатор при фланеца (фиг. 2-3) се определят от напрежението на възникването на пълзящ разряд. Целесъобразно е да се използват изолационни материали с малка стойност на диелектричната проницаемост. Разрядното напрежение зависи още от средата над твърдия изолационен материал (въздух, елегаз SF6, изолационни течности). Емпиричната зависимост (2-5) е валидна за околна среда въздух. За елегаз SF6, и изолационни течности разрядното напрежение ще има по-големи стойности от тези във въздух. Това позволява конструкцията на проходни изолатори да има по-малки разстояния по повърхността s (фиг. 2-3), за частта от изолатора потопена в изолационна течност или елегаз. 47 2.3. Разряд по повърхността на замърсени изолатори Замърсяването на повърхността на изолаторите е от естествени източници, соли от почвата или морската вода на брега на морето, както и от замърсители от промишлена дейност. Замърсяванията в тези райони съдържат разтворими вещества, които обуславят високата електропроводимост на замърсения слой по повърхността. Висока електропроводимост се получава при овлажняване от мъгли или кондензация на влага по повърхността в комбинация с голяма степен на замърсяване. При изследване на пълзящ разряд се прима равномерно отлагане на замърсения слой по повърхността, което за плоскост определя еднородно разпределение на плътността на тока след прилагане на напрежение. Под действието на вятъра е възможно образуването на сухи области, подсушаване на част от повърхността, фиг. 2.4 а). а). б). в). г). фиг. 2-4. Стадии на развитие на разряд по замърсена изолация Токовата плътност нараства в зоната на подсушаване, която се разширява напречно на протичащия ток, фиг. 2-4 б). При възникване на подсушена ивица, се образуват частични дъги, фиг. 2-4 в)., които продължават процеса на подсушаване на повърхността между електродите, фиг. 2-4 г). Сухият участък има малка проводимост на повърхността и малка широчина. В контактните точки на дъгата с проводимия, неподсушен слой, има повишена плътност на тока, довеждаща до бързо изсъхване на тези участъци и разширяване на ивицата между двата електрода. Разширението на сухата зона и развитието на разряда продължава, докато се изпълнява условието за устойчиво горене на дъгата. Разглежда се заместваща схема на източник на напрежение, последователно включен резистор RS, съответстващ на мократа зона и нелинейното съпротивление на дъгата. За свободно горяща дъга трябва да е изпълнено условието, протичащият ток да генерира топлина, която да поддържа термойонизацията в канала на дъгата. Съпротивлението на дъгата е различно за определено разстояние dx. Температурно равновесие на дъгата се установява, когато генерираната мощност dPген е равна на излъчваната мощност dPизл. Температурата на дъгата расте при динамичното увеличение на генерираната мощност dW/dt. При стационарно горящата дъга няма промяна на мощността dW/dt=0. 48 Ако се приеме, че излъчената мощност dPизл зависи от тока i и дължината на дъгата l, като се пренебрегне нелинейното разпределение на температурата по дължината, то за стационарно свободно горящата във въздуха дъга е валидно u l in , (2-5) където n=0,25 ÷ 0,5. Съпротивлението на резистора RS, зависи от дължината на дъгата, но в модела не се отчита промяната му. При действащо напрежение U, може да се запише U RS i kli n . (2-6) Волт-амперната характеристика на дъгата, лявата част на нелинейно уравнение (26), е изобразена графично на фиг. 2-5. u, kV 100 90 U-i.Rsд 80 70 60 uд=k.l.i -0,5 50 40 30 20 U-i.Rsкр U-i.Rs 10 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 i, mA 1 фиг. 2-5 Волт-амперната характеристика на дъга Устойчиво горене на дъга е възможно в една точка от решението. На фигурата са показани три прави, съответстващи на различни съпротивления на замърсения слой – Rs > Rsкр > Rsд. Дъгата не гори при големи стойности на съпротивлението RS. При намаляване на големината на съпротивлението (по-проводим слой по повърхността) под критична стойност Rsкр е възможно дъгата да гори стабилно. За да не се развива разрядът при дадена степен на замърсяване е необходимо, да се увеличи съпротивлението на повърхността над критичната стойност Rsкр. На фиг. 2-6 е показана конструкцията на изолатор за външен монтаж като е означена дължината на пътя на тока на утечка, Lу, пътят на пропълзяване. 49 Lу фиг. 2-6 Конструкция на изолатор за външен монтаж тип ПС 160 Ако се разгледа разрезът на една стреха, то проводимостта dσу на елементарния цилиндричен елемент на дадено разстояние х по пътя на тока на утечка Lу е ds d у dx 2r ( x ) 2r ( x ) dx , (2-7) където dσу е проводимостта на елементарния цилиндър замърсяване на повърхността на разстояние x по пътя на тока на утечка; σ* - повърхностната проводимост на слоя; σ – обемната проводимост на слоя; ds – дебелината на слоя; r(x) – радиусът на цилиндъра на разстояние x по пътя на тока на утечка. Проводимостта и дебелината на слоя ds характеризират повърхностната проводимост . По степен на замърсяване районите се класифицират както следва: леко замърсени райони за σ* = 15÷20 S; при проводимост в диапазона σ* = 21÷25 S има средна степен на замърсяване; замърсени райони при σ* = 26÷35 S; силно замърсени райони при > 35 S. Общата проводимост на изолатора се получава след интегриране на (2-7) у L у dx 0 2r ( x) , (2-8) при което интегрирането следва по повърхността на изолатора (по пътя на тока на утечка Lу). 50 lу dx се нарича коефициент на формата, зависещ от конструкцията 2r ( x) 0 Изразът K ф на изолатора. За районите с по-голяма степен на замърсяване е необходимо да се избират изолатори с по-голям коефициент на формата. Единият от начините да се повишат разрядните напрежения по повърхността на изолатора е да се увеличи отношението на пътя на тока на утечка Lу към дължината на изолатора LI. Изолатори, предназначени за работа в нормални условия, това отношение е приблизително Lу / LI = 2, а в тежки условия то се увеличава до Lу / LI = 3. Изискванията за избор на вида на изолатора и на броя на изолаторите в изолаторна верига за да се обезпечи достатъчната дължина на пътя на тока на утечка за даден клас на напрежение и даден район с определена степен на замърсяване са обобщени в стандарт IEC 60815 таблица 2-1. Табл. 2-1 Избор на дължина на пътя на тока на утечка за дадена степен на замърсяване на околната среда Степен на замърсяване I. Леко замърсени райони: Планински и полски райони отдалечени от море над 10 km, без вятър от морето. II. Средна степен на замърсяване: Гъсто застроени селища, далеч от морето без индустриални мъгли III. Еквивалентно количество на отложена сол на повърхността на изолатори Повърхностна проводимост Минимална дължина на пътя на тока на утечка kg/m3 mg/cm2 µS mm/kV 5÷14 0,06 15÷20 16 15÷40 0,2 21÷25 20 40÷120 0,6 26÷35 25 > 120 >0,6 >35 31 Замърсени райони: Голяма плътност на индустриални предприятия и големи градове. Селища на морския бряг. IV. Съдържане на сол във водата при изпитване с метод „солена мъгла“ Силно замърсени райони: Наличие на проводим прах във въздуха, солена мъгла, силен морски вятър. Пустиня. 51 Надеждната работа на изолаторите в районите с особено силни замърсяване се постига чрез нанасяне на хидрофобно покритие по повърхността им, с което се повишава съпротивлението на замърсения слой, като водата образува капки по повърхността. Изолаторите без покритие трябва своевременно да се почистват с помощта на специални миещи технологии. Полимерните изолатори са с хидрофобна повърхност и имат поголяма дължина на пътя на тока на утечка за даден габарит на присъединение. Полимерните изолатори задължително трябва да имат електрически екрани в двата си края за да не се допуска развитието на разрядни процеси. Изисква се частичните разряди да не превишават 20 pC. 52 3. ТЕЧНА ИЗОЛАЦИЯ 3.1. Проводимост на течни диелектрици 3.1.1. Електропроводимост при постоянно напрежение. Електропроводимостта на в течните диелектрици се дължи на насоченото движение на свободни заряди, токоносители, под действие на слабо постоянно електрично поле. През материала протича електрически ток, неограничен във времето. Токоносителите са основно йони, получени чрез дисоциация на примесените частици в течността или получени в резултат на стареенето на диелектрика. Наличието на електрони в диелектрика е незначително и тяхното влияние върху електропроводимостта при малки стойности на напрежението може да се пренебрегне. В течните диелектрици се проявява и електрофоретична проводимост, ако в течността има примеси във вид на суспензия или емулсия. Частиците на тези примеси се сблъскват със заряди и дават т.нар. молйонна проводимост. Плътността на тока J (3.1) в постоянно електрично поле е пропорционално на заряда q, концентрацията на заряди n и средната стойност на подвижността на токоносителите b и на интензитета на полето Е. J qnbE E (3-1) Подвижността на йоните b е пропорционална на големината на заряда q и обратно пропорционална на радиуса r на йона и на вискозитета на течността q b (3-2) 6r фиг. 3-1 Електропроводимост на изолационна течност в зависимост от времето на прилагане на постоянно напрежение при 20оC [Уайтхед 1931 и Кюхлер 2009] Характерна особеност при течните диелектрици е, че при постоянно напрежение, електропроводимостта намалява с времето. Стационарният ток, обусловен от 53 непрекъснато възникване на йони чрез дисоциацията се установява едва десетки минути след прилагане на напрежението. Електропроводимостта зависи от температурата по експоненциален закон (3.3). 0 exp(W / kT ) , (3-3) където k e константата на Болцман; Т - абсолютната температура; 0 - началната проводимост W - енергията за активиране на подвижността на носителите на заряди. Енергията на активиране W и процесът на дисоциация се определят от електролитните примеси. Уравнение (3-3) е за малки стойности на интензитета на електричното поле, когато няма йонизационни процеси и няма насищане. При по големи стойности на интензитета на полето, плътността на тока рязко нараства. За сухо трансформаторно масло, нарастването на тока започва при Е=20kV/cm и температура 20С, а при температура 70С нарастването на тока започва при интензитет Е=8 kV/cm. Поради това, течната изолация може да се разглежда като слаб електролит, в който нарастването на интензитета на полето води до образуването на нови токоносители чрез дисоциация (ефект на Вин). Токът нараства и от емисия на електрони от катода, емисията е възможна при голяма стойност на интензитета на полето. Токът се обуславя от пренасянето на заряди чрез движението на йони, получени от дисоциация на примесите в течността от продуктите на стареене. Примесите в изолационното масло, влияещи на електропроводимостта са твърди, течни и газообразни. Разтворените газове в дадена течност не влияят на електропроводимостта. Малки концентрации влага в течността слабо влияят на съпротивлението на течната изолация. При по-голямо съдържание на влага се образуват емулсии, което намалява съпротивлението на изолационната течност. 3.1.2. Механизъм на поляризация и диелектрична проницаемост. В течния диелектрик, под действие на електричното поле, свободните заряди обуславят електропроводимостта, свързаните в структурата заряди дават явлението поляризация. При променливо синусоидално напрежение, поляризацията е свързана със загуби на електрична мощност, наречени диелектрични загуби от поляризации. Поляризацията зависи от вида и структурата на диелектрика. Отделни молекули или атоми в състава на молекулите се колебаят синхронно с приложеното напрежение. Аналогични трептения възникват между ядрото и електронната обвивка, когато материалът е неполярен. Описаният механизъм се нарича електронна поляризация, но не е съпроводен със загуби. Друг механизъм на поляризация е на граничните повърхности в диелектрика, в нееднородна, например частично кристализирала среда, на границите на отделните слоеве с различни свойства, се натрупват заряди, които в такт с приложеното 54 напрежение изменят своя знак. Отчитайки микроструктурата на течността, този вид поляризация е малко вероятен, но се проявява при малки честоти и се нарича миграционна поляризация. Съществува и бавна, т.нар. релаксационна поляризация, характерна за полярни диелектрици с диполен строеж. Под диполи се разбират молекули, чиито центрове на положителните и отрицателните заряди не съвпадат. При прилагане на електрично поле, диполите в такт с изменение на напрежението, в по-голяма или по-малка степен, се ориентират по посока на полето. В изолационните течности доминиращ механизъм има електронната поляризация, но при стареене може да се появи релаксационна поляризация. Честотната и температурна зависимост при бавните поляризации се определят с комплексен израз на относителната диелектрична проницаемост r = r - j r, която е свързана с честотата и температурата на диелектрика (чрез изменение на времеконстантата на релаксационна поляризация ) с уравненията на Дебай c r 2 1 , (3-4) c r " r 2 1 където εr’ е реалната част на комплексната диелектрична проницаемост; εr“ - имагинерна част на комплексната диелектрична проницаемост; - времеконстантата на релаксационна поляризация, която зависи от температурата; с - реалната част на комплексната проницаемост в пределите на честота близо до релаксационна честота (статична проницаемост); r - реалната част на комплексната проницаемост при честоти, много по-високи от честотата на релаксация. 'r r Относителната диелектрична проницаемост r = r - j r (3.4) на изолационния материал се определя с отношението на капацитета на кондензатор с диелектрик Cx спрямо капацитета на същия този кондензатор, но с вакуум между електродите C0 r Cx C . 0 (3-5) Абсолютната диелектричната проницаемост на диелектрик е произведението от относителната диелектрична проницаемост r и диелектричната константа о. За вакуум r = 1, а абсолютната проницаемост е равна на диелектричната константа о=8,85⸳10-12, F/m. Относителната диелектрична проницаемост е количествена характеристика на явлението поляризация. 3.1.3. Тангенс от ъгъла на диелектричните загуби. Свойствата на диелектрика при променливо напрежение се определят с тангенса от ъгъла на диелектричните загуби tgδ и с относителната диелектрична проницаемост 55 εr, които зависят от температурата, честотата и интензитета на електричното поле. Тяхната промяна е основен критерии за качеството, степента на чистотата и стареене на течните и твърдите диелектрици. Изолацията се разглежда като кондензатор със загуби, като характеристиките й се определят с относителната диелектрична проницаемост и електропроводимостта. Тангенсът от ъгъла на диелектричните загуби tgδ се определя като отношение на активния ток ia през диелектрика към капацитивния ток iр tg ia . ip (3-6) фиг. 3-2 Векторна диаграма на компонентите на тока и напрежението Ъгълът на диелектричните загуби допълва във векторната диаграма до прав ъгъл ъгъла между вектора на тока i и напрежението U. Тангенсът от ъгъла на диелектричните загуби tgδ определя големината на диелектричните загуби при променливо напрежение Pa = ia⸳U = ωC⸳tgδ⸳U2, (3-7) където Pa е активната мощност отделена в диелектрика; ω – кръговата честота; C – капацитетът; tgδ – тангенсът от ъгъла на диелектричните загуби; U – приложеното напрежение. Заместващата схема на диелектрика е с паралелно и последователно свързани капацитет и активно съпротивление. Активното съпротивление се определя от електронната и йонна проводимост и се изразява с γ. Използва се комплексна форма на записа за диелектричната проницаемост, както в (3.4). Срещана форма на запис на тангенса от ъгъла на диелектричните загуби е tg r" . 0 r' r' (3-8) Следователно, tgδ се образува от две съставки, при което първата характеризира загубите от електропроводимостта (основно йонна), а втората – загубите от бавни, 56 релаксационни поляризации в диелектрика. На фиг. 3-3 е показано изменението на диелектричната проницаемост и tgδ от честотата. Максималната стойност на tgδ е изместена спрямо максималната стойност на εr”. ε' εr" tgδ tgδ2 ω 1 10 100 1000 10000 фиг. 3-3. Зависимост на диелектричната проницаемост и tgδ от честотата Ясно изразен максимум в tgδ се наблюдава при честота max c 1 . r (3-9) При големи и малки честоти tgδ2 клони към нула подобно на εr”. В зависимост от механизма на поляризация, времето за релаксация τ силно се променя. В диелектрик с различни механизми на поляризация могат да се проявят няколко максимуми. Законът на Стокс изразява зависимостта на времето за релаксация от вискозитета на диелектрика и температурата Т A c 2 , kT r 2 (3-10) където А е константа, отчитаща вида на релаксационната поляризация. Замествайки (3.10) в (3.9) се получава 1 kT r 2 c m . (3-11) A c 2 r С нарастване на температурата, максимумът на tgδ2 се измества към по-голяма честота при условие, че вискозитетът не се променя значително. На фиг. 3-4 са показани зависимостите на компонентите на диелектричната проницаемост и тангенса от ъгъла на диелектричните загуби от температурата. 57 εc εrω tgδ tgδ2 1 Т 10 фиг. 3-4. Изменение на компонентите на диелектричната проницаемост и тангенса от ъгъла на диелектричните загуби от температурата За течности с йонна проводимост и електронна поляризация, относителната диелектрична проницаемост εr намалява незначително с повишаване на температурата, което се дължи на по-малката плътност на диелектрика. В изолационните течности не се наблюдава влияние на разтворените газове в течността върху стойността на tgδ и на съпротивлението на изолацията. Съдържанието на вода обаче оказва съществено влияние, което е особено силно при голяма концентрация на вода, като tgδ нараства по експоненциално с увеличаване съдържанието на вода. В съответствие с ефекта на Вин, tgδ нараства с увеличаване на интензитета на полето. Границата на интензитета, при която се проявява ефектът на Вин, намалява с нарастване на съдържанието на вода в течността и при повишаване на температурата. 58 3.2. Механизъм на разряда в течности 3.2.1. Електрична якост на изолационни течности Електричната якост на изолационните течности зависи от много фактори като: - вид на материала; - форма и състояние на повърхността на електродите; - съдържание на газове и вода в маслото; - намиращите се в маслото примеси. Поради това, разрядът в изолационна течност не може да се опише само с една единствена теория, която да обясни всички наблюдавани явления. Да разгледаме два механизма, като се предполага, че те са в основата на развитие на разряда. При бързо повишаване на променливо напрежение и особено при импулсно напрежение се предполага, че разрядът в течността се дължи на електроните. Първичните електрони са в резултат на емисия от катода под действие на големи стойности на интензитета на полето. Към това се добавя още и образуването на носители на заряди от дисоциацията. Електричната якост на различните въглеводороди, зависи от тяхната плътност, която е мярка за “свободните” обеми в течностите, а така също и от парциалното налягане на компонентите и техните енергии на йонизация [1]. Между молекулите на течността има така наречената “пустота”, в която под действие на външното налягане се концентрират по-летливи компоненти на маслото “собствени пари” или разтворените в маслото газове. В маслото може да възникнат газови микрообеми при взаимодействие (удари) на еднакво заредените положителни или отрицателни йони, ускорени от електричното поле. Йонизационните процеси в газовите включвания водят до прегряване и разлагане на маслото, близо до включването, което предизвиква по-нататъшно газоотделяне. Йонизационните процеси в газовите мехурчета повишават електропроводимостта на газа и изкривяват разпределението на полето, близо до тези мехурчетата. Възниква лавина от токоносители, в началото на която интензитетът на полето може да се окаже достатъчно голям за непосредствена или степенна йонизация в течността. Термойонизацията в газовия канал на образуваната лавина завършва разряда в маслото, преработвайки го в проводим канал [1]. Този механизъм протича в маслото с разряд, свързан с отделяне на малко продукти на разлагане на течността. При бавно повишаване на напрежението се наблюдава развитие на „мостов“ разряд. Изолационната течност преди запълването на съоръжението е филтрирана много добре, изсушена и обезгазена. В процеса на експлоатация, от хартията и други елементи на съоръжението, в маслото проникват микроскопични замърсявания (влакна или други неразтворими частици). В нехерметични машини и апарати, от атмосферата прониква и се разстваря вода. Водата се образува и при стареенето на маслото. Нишките от целулозата попиват влагата и се увеличава тяхната 59 диелектрична проницаемост. При прилагане на електрично поле, влакната се поляризират и се ориентират в област с максимален интензитет на полето. Там те се прилепват една към друга, образувайки проводим мост между електродите. Поради голямата стойност на електропроводимостта в моста, през него преминава ток с голяма плътност. Отделената топлина води до изпарение на съдържащата се в моста вода, като с изпаряват и отделните компоненти на маслото в непосредствена близост. Във възникващите газови мехури се развива разряд, който може да се третира като локален топлинен пробив в тези места, нещо подобно на разряд по повърхността на твърд диелектрик. 3.2.2. Измерване на разрядното напрежение на изолационните течности. Електричната якост на изолационните течности не е постоянна величина, тъй като тя зависи от много фактори: от състоянието на трансформаторното масло и разтворените в него продукти на стареене; форма на електродите; продължителност на въздействие на напрежението; форма на напрежение и скорост на неговото нарастване. За да е възможно сравнението на измерванията на електричната якост на различните течности, е необходимо те да се провеждат по нормирани методики, описани в стандартите. В Р.България е действащ БДС EN 60156:2002 Изолационни течности. Определяне на пробивното напрежение при промишлена честота. Метод за изпитване (IEC 60156:1995) В съответствие със стандартите БДС EN 60156:2002, измерването на електричната якост се провежда при разстояние R25 между електродите s=2,5 mm и при 36 20С. Геометричните размери на електродите са показани на фиг. 3-5. 3 14 7 s=2.5 20 Изпитвателното напрежение е синусоидално с честота 50 Hz, което се повишава до пробив със скорост фиг. 3-5.Геометрични размери на стандартни 2kV/s. Измерва се ефективната електроди за определяне на електрическа якост стойност на разрядното напрежение. на трансформаторно масло За всяка проба от течността се правят шест опита с интервал от време 2 минути. След всеки разряд течността между електродите се разбърква. Разрядното напрежение се определя като средна аритметична стойност от шестте измервания. Различните стойности на разрядното напрежение в серията от шест измервания, са в резултат на отделените газове и продукти на разлагането в маслото (например, водород Н2 и нискомолекулни 60 въглеводороди), които с различна скорост и в различни количества се разтварят в маслото. Разтворените газове имат различна енергия на йонизация, което оказва влияние на разрядното напрежение при следващите опити. За да се намали влиянието на разрядите се изисква, апаратът да има защита, с време на изключване по-малко от 10 ms. Провеждането на опитите и оценяването на резултатите от измерванията изисква да се спазва начинът на вземане на пробата, транспортирането и последователността на работа с Eр, масления съд и взетите проби от kV/cm маслото. 400 Електричната якост на течностите зависи от продължителността на въздействие на напрежението и намалява, с нарастване на времето на въздействие. Електричната якост при импулсното напрежение е много по-голяма, отколкото при променливото напрежение (импулсният коефициент е около 2). 2.5mm 300 w=5 200 100 50 80 200 0 На фиг. 3-6 са показани зависимостите на 20 40 60 80 Т 0C електричната якост на минерално масло от температурата. Електричната якост фиг. 3-6. Зависимост на електрическата при малко съдържание на вода почти не якост на трансформаторно масло от температурата при различни стойности на зависи от температурата. Зависимостта на разрядния интензитет на полето както от температурата, така и от съдържанието на вода, може да се обобщи, ако се свържат с относителната влажност (съдържащата се в маслото вода, отнесена към концентрацията на насищане при температурата на провеждане на експеримента). При увеличаването на относителната влажност на околната среда електричната якост се намалява. В областта на насищане, когато водата в маслото е във вид на емулсия, електричната якост не зависи от съдържанието на вода и е малка. Електричната якост на течността не зависи от количеството на разтворения в нея газ. При големи концентрации на газ, когато той се намира в диспергирано състояние, електричната якост намалява значително, в резултат на развитие на частични разряди в газовите мехурчета. 3.3. Стареене на трансформаторното масло. Изолационната течност преди запълването на съоръжението е филтрирана много добре, изсушена и обезгазена. В процеса на експлоатация, от хартията и други елементи на съоръжението, в маслото проникват микроскопични замърсявания (влакна или други неразтворими частици). В нехерметични апарати, например в трансформатор, през контактната с атмосферата повърхност попада вода. В 61 процеса на стареене на изолационните течности се отделя вода. Нишки от целулозата попиват влагата, в резултат на което се увеличава тяхната диелектрична проницаемост. При прилагане на електрично поле влакната се ориентират в област с по-голям интензитет на полето. По-голямата стойност на интензитета повишава температурата на микро ниво. В тези малки зони се развиват частични разряди. Частичните разряди са с малка интензивност, привиден заряд по-малък от 300 pC, но разлагат изолационното масло и се отделя водород и метан. В маслонапълнените съоръжения е възможно да има метални части с голяма температура. Заобикалящата маслена среда се разлага под действие на голямата температура, настъпва пиролиза. Възможно е да се получат частични дъги между металните части на съоръжението, типично при комутация на стъпалния регулатор. Основано се отделя ацетилен, при горенето на дъга в изолационно масло. Продуктите на стареене в изолационното масло се разтварят в обема. Малките концентрации се разтварят молекулярно. При насищане, част от продуктите образуват газови компоненти, които стават източници на нови частични разряди и процесът на стареене се ускорява. Нараства концентрацията на киселини, като нараства и вискозитетът. Общото съдържание на вода и проводими продукти на стареене нараства, като голяма част от тях се отлага върху твърдата изолация. Създават се условия за разряди по повърхността на бариерите и хартиената изолация, което води до разрушаване на надлъжната и главната изолация на съоръженията. 4. Твърда изолация. 4.1. Проводимост на твърдите диелектрици. Твърдите диелектрици са основна част от електрическите съоръжения. Те поддържат механично тоководещите части и изолират електродите с различен потенциал. В повечето случаи, твърдите диелектрици се комбинират с течни и газови в конструкциите за високо напрежение. За разлика от газовете, твърдите диелектрици са несамовъзстановяваща се електрична изолация. Настъпването на пробив в компоненти на изделието е необратим процес, който изисква подмяна на цялото съоръжение. Това налага изолационните конструкции да се оразмеряват с по-голяма електрична якост на твърдите изолационни материали от заобикалящите течни или газова електрична изолация. Стареенето на твърдите диелектрици е бавно. Електричната якост не трябва да се нарушава, при номиналните напрежения и въздействащите пренапрежения, през времето на живот на съоръженията. Стареенето е по-интензивно, когато в обема на диелектрика протича по-голям ток на проводимостта (електронна и йонна проводимост) и ток от поляризации. За малки стойности на напреженията, експоненциален закон от температурата проводимостта се променя по 62 = , (4-1) където А е емпирична константа; U – напрежението; k – константа на Болцман; T – абсолютната температура. При по-голяма стойност на напрежението, респективно на интензитета, проводимостта се увеличава. Изборът на работен интензитет зависи от необходимия ресурс на работа на изолационната система. При големи стойности на напрежението се развиват процеси на частични разряди, които съществено ускоряват развитието на дендрити и пробив. 4.2. Механизъм на пробива в твърди диелектрици Опитно е установено, че стойността на интензитета на полето, при който настъпва пробив в твърдите диелектрици, зависи от вида и структурата на материала, формата на електричното поле и вида на действащото напрежение. Електричната якост на диелектрика зависи също така от скоростта на повишаване на напрежението, продължителността на въздействие, температурата и обема (дебелината) на изолацията. На фиг. 4-1. е дадена общата зависимост на пробивното напрежение от времето на въздействие на напрежението. Eпр I II III tпр фиг. 4-1. Зависимост на електричната якост от времето на действие на полето За електричната якост на материалите с голям tg, гетинакс, поливинилхлорид, някои видове епоксидна изолация, изолация на електрически машини, е възможен топлинен пробив. Разглеждат се следните характерни области: I-ва зона, чисто електрически пробив, наблюдаван при кратковременно действие на напрежението и малки температури; II-ра зона, топлинен пробив, който е възможен сами при достатъчно голямо време за термичното разрушаване на изолацията; III-та зона, дендритен пробив, изискващ продължително време и е свързан с процеса на стареене на изолацията в местата с голям интензитет на електрично поле. 63 Дендритният пробив възниква в дефекти на изолацията, получени при нейното производство, като този пробив често се нарича пробив в слабите места. Топлинен пробив не се наблюдава в диелектрици с малка стойност на tg (полиетилен, чиста епоксидна смола и др.). На фиг. 4.2 е показана така наречената "крива на живот" на полиетилен. ln(Eпр) I II III ln(tпр) фиг. 4-2. Зависимост на електричната якост за полиетилен След областта на електричен пробив (I-ва зона), следва областта на пробив в отслабените участъци (III-та зона). Няма точна граница на прехода от първа към трета зона в кривата на живота. Емпирично установената закономерност се нарича "закон на живота" на изолацията и се дефинира Eпрn⸳tпр=const (4-2) или ln(Eпр)=A-(1/n)⸳ln(tпр), (4-3) където Eпр е интензитетът на полето за настъпване на пробив; tпр - време на живот на изолацията (време, в течение на което изолацията издържа напрежение, съответстващо на интензитета Eпр); n - показател за степента на "кривата на живота"; А = const. Голямата стойност на n означава малък наклон на правата (фиг. 4-2) или дълъг очакван срок на живот на изолацията. За електрична изолация на силови кабели, наклонът на кривата е малък, n=1015. 4.3. Механизъм на пробива в твърди диелектрици дълготрайно действие на напрежението. при Стареенето на електричната изолация се описва чрез промяната на наклона и формата на зависимостта на пробивното напрежение от времето на въздействие „крива на живота“. Намаляването на живота на електрическата изолация се дължи на реалните процеси на стареене протичащи в нея: наличие на примеси при производство й; проникване на вода и образуване на водни дендрити; локално повишаване на температурата и интензитета на електричното поле; образуване на 64 газови междини; развитие на частични разряди и електрически дендрити; развитие на дендрити между двата електрода; образуване на канала на пробива. ln(Епр) Er Работен интензитет на електрично поле Намаляване на живота на електрична изолация ln(t) фиг. 4-3. Илюстрация на основните причини за намаляване на живота на електричната изолация. Включвания в електричната изолация от различно естество влошават състоянието й, което се изразява с нарастване на степенния показател n и намаляване на константата А=const в „кривата на живота“. За силови кабели се контролира големината на включванията в зависимост от работните интензитети (2÷10 kV/mm) в диапазона 50 – 200 µm. Електрохимичното стареене на електричната изолация преобразува зона около включванията в електрически дендрити. Процесът е стъпален с последователно повишаване на локалната температура (повишена проводимост от продукти на електрохимично стареене), повишаване на интензитета на в края на дефекта, въз 1 2 3 4 фиг. 4-4. Снимки на: дендрити тип „папийонка“ около дефект в изолацията 1 и 2; дефект на повърхността на силов кабел 3; и дефект в полупроводимия слой до жилото на силов кабел с изолация от омрежен полиетилен 4. 65 5 6 7 8 фиг. 4-5. Снимки на: воден дендрит, развиващ се от вода проникнала по жило 1; воден дендрит от вода проникнала от екрана на кабела 6; воден дентрит с начален стадий на развитие на електричски дендрит в близост до жилото на силов кабел 7, канал на пробив с воден и електрически дендрит до него 8. Водните дендрити се възприемат като изолационен материал [6] и независимо, че се наричат „водни“ дендрити, съдържанието на вода за старели в експлоатация кабели е около 1% [8]. Диелектричните характеристики на водните дендрити имат по-големи стойности, но близки до тези на електрическата изолация: относителната диелектрична проницаемост е εr = 2,3 ÷ 3,6 и тангенсът от ъгъла на диелектричните загуби е tg = 0,002 ÷ 0,02 [7, 8]. Пробивното напрежение на силови кабели с водни дендрити намалява до два пъти. Водните дендрити се преобразуват в електрически под действието на пренапрежения и/или изпитване с високи напрежения (разрушаващи изпитвания), като дефектът нараства и се образуват газови включвания. В газовите включвания започва процес на ударна йонизация и се образуват електрически дендрити. Електрическите дендрити са дендрити, които генерират частични разряди. Частичните разряди създават лавини от ускорени електрони, а 66 подложената на ударите на електроните материя старее ускорено (това е потъмната част на дендрит „папийонка“ от снимка 7 в близост до жилото на кабела). Развитието на дефект до пробив се дължи на няколко цикъла – воден дендрит и/или включване – пренапрежение и електрохимично стареене – електрически дендрит. Отделните цикли се наблюдават на снимка 8. 5. Комбинирана изолация. Изолация само от един диелектрик е с ограничено приложение, основно за кабелна изолация. В практиката се използва комбинирана изолация: газ твърда изолация или твърда изолация с течност, т.е. хартиено-маслена изолация или масленобариерна изолация. С комбинирана изолация трябва да се гарантира надеждната работа на съоръжението при съответна работна температура, съгласно температурния индекс TI, както и добро охлаждане. Маслонапълнените кабели работят с хартиено-маслена изолационна система. Подобно на кондензаторите, изолационната хартия дава механичната якост на елементите с различен потенциал, а изолационното масло повишава електричната якост и подобрява охлаждането. Главната изолация в силовите трансформатори се изпълнява с маслено бариерни системи, а изводите на намотките се изолират с хартиено маслена или маслена изолационна система. Въртящите се електрически машини имат газово-твърда изолационна система. Такава система се използва и в газово-изолираните компактни подстанции и шинопроводи. 5.1. Маслено-бариерна изолация Изолационната система за силовите трансформатори високо напрежение се изработва от твърди изолационни материали на базата на висококачествена сулфатна целулоза и течна изолационна среда, най-често трансформаторно масло. Комбинираната хартиено-маслена и маслено-бариерна изолационна конструкция има голяма електрична якост, механична устойчивост при къси съединения, добро охлаждане на намотката и термична устойчивост. Хартиено-маслената изолация е компактна. Изработва се с нанасяне на мека изолационна хартия около проводниците и металните елементи от конструкцията. С полагането на хартиения слой се намалява интензитетът на електричното поле около електрода с малък радиус на закръгление. С маслено-бариерна изолационна конструкция се осигурява по-добра циркулация на трансформаторното масло. За бариери се използва трансформаторен картон - пресшпан (трафоборд), който е изработен от пресована целулоза, без свързващи вещества. Твърдата изолация в силовите трансформатори старее електрохимично под действие на водните молекули и газови включвания, който процес се ускорява при висока температура. Трансформаторното масло старее под действието на 67 температурата, особено около елементи с висока температура, и разряди като корона, разряди по повърхността на твърда изолация, локални дъги. В зависимост от стойността на температурата и енергията на разрядите, в трансформаторното масло се отделят продукти на стареене, като газове, киселинни продукти, въглерод, една част от тях се разтваря в трансформаторното масло, а неразтворимите утайки се отлагат по твърдите елементи в казана. Силовият трансформатор има следните видове изолации: Основна изолация – това е изолацията между съседни намотки от една и съща или от различни фази и изолацията между намотките и заземените части на трансформатора (магнитопровод, притегателни пръстени, казан); Надлъжна изолация – това са изолационните елементи между частите с различен потенциал на отделните намотки, навивки, слоеве, секции; Изолация на изводи, стъпални регулатори, комутатори, елементи на магнитната система. 5.1.1. Изолация между намотки високо и ниско напрежение Изолацията между намотка високо напрежение и намотка ниско напрежение се изпълнява чрез последователно редуване на участъци от трансформаторно масло и твърд диелектрик. Областта между намотките може да се приеме като изолация между два цилиндрични електрода. Тъй като разстоянието между тях е много помалко от размерите им, изменението на интензитета на електричното поле може да се пренебрегне и електричното поле се приема практически за равномерно. Допустимият интензитет на електричното поле, при който не се получава разряд е в порядъка 70÷90 kV/cm. Следователно, вероятността от възникване на разрушаващи частични разряди между намотките е минимална. фиг. 5-1. Изолация между намотки ниско и високо напрежение 5.1.2. Изолация между намотка високо напрежение и ярема Изолацията между намотка високо напрежение и ярема на магнитопровода се изпълнява с изолационни елементи в краищата на намотките посредством „яки“ от вътрешната страна и „капи“, от външната, фиг.5.2. В тази област полето е силно неравномерно, като интензитет в зоната на челата на намотките трябва да се намали 68 максимално. Интензитетът на електричното поле зависи от разстоянието между намотките, от разстоянието до ярема и от формата на изолационните елементи. В зоната на големите стойности на интензитета на електричното поле не трябва да има маслени канали или маслени клинове, защото поради по-малката електрическа якост на трансформаторното масло се получават частични разряди, които могат да разрушат твърдата изолация. Изолационните елементи, слоеве хартия и картон, са с такъв радиус на закръгление, че интензитетът на електричното поле да е перпендикулярен на повърхността на слоя. Повечето конструктивни решения, разстоянието между намотката и ярема е около два пъти по-голямо от разстоянието между намотките. Частичните разряди, ако възникнат между намотките и ярема, са с голяма интензивност и разрушават твърдата изолация за период от една година. Допустимият интензитет на електричното поле, при който не се получават частични разряди е в границите 35÷45 kV/cm. [10]. Намотка високо напрежение Изолация между намотка високо напрежение и ярема Ярем на магнитопровода фиг. 5-2. Изолация между намотка високо напрежение и ярема на магнитопровода 5.1.3. Изолация между намотките на различни фази Изолацията между намотките на различни фази се изпълнява с цилиндрични или прави бариери и ъглови елементи, фиг. 5-3, които се разполагат в пространството между намотките. В тази област, интензитетът на електричното поле зависи от номиналното линейно напрежение или тази част от него, която действа между намотките на две съседни фази. При нормална работа на трансформатор със заземена неутрала, по-голяма стойност на интензитета на полето се получава в близост до горния ярем. Тъй като намотките са с голямо закръгление една спрямо друга може да се приеме че електричното поле е сравнително равномерно, дори при наличие на регулационна намотка. Допустимият интензитет на електричното поле, при който не се получават частични разряди е (15÷20) kV/cm. От технологични съображения, разстоянието между намотките от различните фази се избира поголямо от 30 cm. Работният интензитет е по-малък от 10 kV/cm и вероятността от възникване в тази междина на разрушаващи частични разряди е минимална. 69 фиг. 5-3. Изолация между намотките на трите фази на силов трансформатор 5.1.4. Изолация между намотките и казана Изолацията между намотките и казана при трансформатори с работно напрежение до 72 kV е трансформаторно масло. При по-високи напрежения тя е от маслено бариерен тип. Бариерите могат да се изработват като концентрични цилиндри около външната намотка на всяка фаза или като прави бариери, които обхващат трите фази. Бариери се поставят около контактната система на регулатора на напрежение. На Error! Reference source not found.фиг. 5-4 са показани някои конструктивни решения за поставяне на бариери. Бариерите между намотките и казана намаляват интензитета на полето на заземените елементи, като магнитни екрани и ребра на казана, както и намаляват вероятността за възникване на частични разряди от тях. фиг. 5-4. Маслено-бариерна изолация в силов трансформатор 5.2. Хартиено-маслена изолация Надлъжната изолация на намотката на силов трансформатор се изпълнява чрез бандажиране на проводниците с кабелна хартия и поставяне на елементи от пресован трансформаторен картон, за усилване на ъгловите зони на секциите и 70 транспозициите, като се намалява възможността да се деформира намотката от действието на динамичните сили на тока на късо съединение. Надлъжната изолация се оразмерява да издържа номиналните напрежения и особено важна е координацията на изолацията при действие на атмосферни пренапрежения. Найголеми амплитуди на вълните на импулсни напрежения, за електричната изолация между навивки и секции, са до извод високо напрежение. Номинално напрежение 110 kV Номинално напрежение 400 kV фиг. 5-5. Общ вид на надлъжна изолация на намотка високо напрежение на силов трансформатор 71 5.3. Съставни твърди изолации фиг. 5-6. Изолационна система на въртяща се електрическа машина Електрическата изолация на въртяща се електрическа машина, фиг. 5.6, е газовотвърда изолационна система. Системата включва диелектрици, полупроводими слоеве, проводими слоеве, хидроизолация и виброустойчиви изолационни елменти. Междунавивковата изолация се полага върху профилния проводник. За да се намали интензитета на електричното поле на повърхността, се нанася слой от полупроводима лента. Основната изолация се нанася върху формираната намотка в зоната на канала на статорния пакет. Методът се състои в равномерно със застъпване навиване на няколко слоя от изолационна лента, комбинация от слюда и свързващо вещество. При загряване във вакуум в пресова форма, свързващото вещество полимеризира и се образува монолитна миканитна изолация без въздушни включвания. Твърдата изолация се екранира от острите ръбове на магнитните ламели с проводим слой. В еволвентната част се полагат изолация и хидроизолация с по-голяма еластичност, устойчива на вибрации. Преходът на секцията от канала към еволвента има преходен полупроводим слой за изравняване на електричното поле и ограничаване разрядите по повърхността. Механично секциите се укрепват с изолационни клинове и дистанционери. 72 5.4. Комбинирана с газ твърда изолация Основната изолационна среда на газ-твърдата изолационна система е елегаза SF6. Всички апарати работят в елегазова среда, фиг. 5-7. Твърдата изолационна конструкция са изолаторите и преходните разделители между секциите на съоръжението. Елементите на конструкцията са обхванати от общ метален заземен корпус. Отличните изолационни качества на самовъзстановяваща се изолационна среда на елегаза позволява да се намалят габаритите на дадена подстанция. Предимства на комбинираната газ-твърда изолационна система: Няма пряк допир до елементи на конструкцията с висок потенциал, което ги прави безопасни и надеждни за експлоатация. Намалено е разстоянието между активните и неактивните елементи на комутационните апарати и шини, което намалява до 10 пъти площта на подстанциите. При добра експлоатация, жизненият цикъл на оборудването е около 40 години. Бърз монтаж на съоръженията, поради екстензивно предварително сглобяване. Недостатъци: Големи инвестиции; Изисква се високо квалифициран персонал; Аварийните състояния са тежки и бавно се възстановяват нормалните режими на експлоатация Елегазът се разлага от електрическа дъга, което води до опасност за здравето на хората при изтичане на газ. На фиг. 5-7 е даден пример за елегазово поле, вход към двойна шинна система. 1.Шинна система; 2.Разединител; 3.Заземител; 4.Токов трансформатор; 5.Прекъсвач; 6.Токов трансформатор; 7.Заземител; 8.Разединител; 9.Заземител; 10.Напреженов трансформатор; 11.Проходен изолатор. фиг. 5-7. Изолационна система на елегазова подстанция 73 5.5. Стареене на комбинираната изолация Електричната изолация старее в съответствие със закона на Свен Арениус (18591927) = , (5-1) където vR e скоростта на развитие на химичната реакция; AR – константа характерна за даден диелктрик; Ea – енергия на активация на реакцията; k – константа на Болцман; T – абсолютна температура. Законът на Арениус е в сила за химичните реакции под действие на температура и електрично поле. При наличие на локални дефекти, стареенето на изолационните системи се определя от: количеството на примеси или дефекти при производство; проникване на вода и образуване на водни дендрити; локално повишаване на температурата и интензитета на електричното поле; образуване на газови междини; развитие на частични разряди и електрически дендрити; развитие на дендрити между двата електрода; развитие на трек по повърхността от лидерен разряд. На фиг. 5-8 са показани основните места на ускорено стареене на електрическата изолация на въртящи се електрическамашини. фиг. 5-8.Схематично изобразяване на източниците на частични разряди в изолационната система на въртяща се електрическа машина Пробивът на електричната изолация възниква в слабите места на комбинираната изолация. Това е резултат от ускореното стреене в местата на възникване на частични разряди. Електричната устойчивост на материалите, големината на константата AR от (5-1), е по-голяма за неорганичните изолационни материали. Слюдата е с голяма устойчивост на частични разряди, но не устойчива на въздействие на вода. Органичните изолационни материали нямат голяма 74 устойчивост на частични разряди в електрически машини и апарати, като стареят по-бързо от неорганичните. Основната разлика в механизма на стареене на комбинирана електрическа изолация и твърд диелектрик е мястото на развитие е на дефекта. При стареене на изолационния материал под действие на частични разряди, по стените на дефекта (дендрит или трек) се отлагат проводими продукти. Електричното съпротивление на стените на дефекта намалява, което води до намаляване на количеството електричество натрупано на електродите на еквивалентния кондензатор. Частичните разряди са с по-малка интензивност и дори може да се прекрати развитието им. Процесът продължава с електро-химично стареене в мястото на дефекта с по-голям интензитет, което довежда до поява на нови пукнатини и възникване на частични разряди. В действителност се наблюдава намаляване на интензитета на частичните разряди една две години преди пълния пробив. 75 6. Частични разряди в изолациите за високо напрежение. 6.1. Механизъм на развитие на частичните разряди. Частичните разряди са електрически разряд в част от изолационна конструкция между електроди с различен потенциал. На фиг.6-1 а) е показана общо известната схема на диелектрик между два електрода A и B, и дефект, означен с неговия капацитет Сс, а на фиг. 6-1 б), заместващата схема със съсредоточени параметри [1]. A Ca' A Ub Cb' ic(t) Ca'' Cc Ua Cb'' B Cb PD Ca Uc Cc Rc B (a) (б) фиг. 6-1. Диелектрик съдържащ газово включване а) и заместваща схема б). Електричното поле в разрядната междина на дефекта зависи от диелектричната проницаемост, от формата и големината на включването. Обикновено електричната якост на включването е по-малка от електричната якост на диелектрика. При подаване на напрежение на изводите на обекта кондензаторът Сс се зарежда. При достигане на разрядното напрежение, натрупаните заряди на кондензатора на включването Cc се неутрализират чрез лавинен стадий на разряда. Токът на разряда не може да бъде измерен директно, той има малко време за нарастване на импулса 1÷5 ns с продължителност 20÷50 ns. Процесът на зареждане на капацитета на включването и възникване на частичен разряд е повторяем с честота, зависеща от обемните проводимости (не са показани на заместващата схема на фиг.6-1), от формата на електричното поле на дефекта и изолационната конструкция и от скоростта на изменение на приложеното напрежение. В заместващата схема с Cb Cb' Cb'' /(Cb' Cb'' ) е означен капацитетът на включването към изводите на обекта. Капацитетът на обекта е останалата част от електрическата изолация Ca Ca' Ca'' . Големината на капацитетите е в съотношение Ca Cc Cb . (6-1) На фиг. 6-1 б, PD е разрядник, който има различни начални напрежения на възникване на лавина при положителна и отрицателна полярност на приложеното напрежение (моделира се с неравномерно поле, острие-острие). Ако дефектът е сферична кухина, началните разрядни напрежения са еднакви за двете полярности на напрежението (моделира се със сферичен разрядник). Когато потенциалната разлика на стените на дефекта е по-голяма от разрядното му напрежение, се образува лавина и протича токът ic (t) . Резисторът Rc симулира активните загуби на 76 енергия при протичане на тока ic (t) . Токът ic (t) пренася заряд Δqc=Cc⸳ΔUc от кондензатора Cc, а вълната на тока се разпространява в системата електроди на изолационната конструкция. Падът на напрежението на изводите ΔUa без да се отчитат вълновите процеси, се изчислява със зависимостта ΔUa=[Cb/(Ca+Cb)]⸳ ΔUc . (6-2) Този пад на напрежение е пропорционален на заряда Δqc, величина свързана с големината на дефекта. Капацитетът Cb нараства с увеличаване на големината на включването, напречно на силовите линии на електричното поле, а напрежението ΔUc - с дължината му към двата електрода. Падът на напрежение на изводите на обекта ΔUa може да се измери. Амплитудата е малка, тъй като разрядното напрежение в дефекта ΔUc е в диапазона 100 до 1000 V, а големината на напрежението пренесено към изводите е от порядъка на няколко миливолта до няколко волта. Като абсолютна стойност, приложеното напрежение Ua е много поголямо от ΔUа и отношението ΔUа/ Ua е от порядъка на 10-3 ÷ 10-5 . Поради малките стойности на сигнала, директното измерване на промяната на напрежението от възникването на частични разряди се затруднява от наличието на електричен шум. Вълната на напрежение, получена от частичен разряд, се измерва чрез честотно разделяне на общия сигнал, сумата от захранващото напрежение Ua и падът на напрежение на изводите на обекта ΔUа. Високочестотният филтър е съставен от свързващ кондензатор Ck и импеданса Z, фиг. 6-2 . Импедансът Z включва импеданса на проводниците и индуктивност, между източника и свързващия кондензатор е близост до обекта. Зарядът необходим за компенсиране на пада на напрежение ΔUа обуславя тока i(t), протичащ между C k и Ct. Ако C k C t , то падът ΔUа е напълно компенсиран, и количеството на заряди се изчислява с q = ∫i(t)dt = (Ca+Cb)⸳ΔUа. (6-3) Като се вземе в предвид уравнение (6-2), този заряд е пропорционален на големината на дефекта q = Cb⸳ΔUc. (6-4) Зарядът q се нарича “привиден заряд”. i(t), q Z U Ck Ua Ct фиг. 6-2. Схема на измерване на частични разряди Условието Ck >> Ct не е приложимо в практиката, тъй като голямата стойност на капацитета Ck изисква голям ток от захранващия източник. Използват се стойности на капацитета на свързващия кондензатор по-малки или от порядъка на капацитета 77 на обекта Ck ≈ Ct . По-малката стойност на Ck намалява чувствителността на схемата за измерване, зарядът q и токът i(t) са по-малки при един и същ частичен разряд. Падът на напрежение ΔUа* е по-малък от ΔUа, когато Ck ≈ Ct. За реална схема е в сила равенството (Ca+Cb)⸳ΔUа =(Ca+Cb+Ck)⸳ΔUа*. (6-5) Като се замести (6.2) и (6.4) в (6.5) се получава: ΔUа * = Cb⸳ΔUc / (Ca+Cb+Ck) = q/(Ca+Cb+Ck) . (6-6) Падът ΔUа* трудно може да се измери. Трансферът на заряди от Ck към Ct от тока i(t) е почти равен на Ck⸳ΔUа*, и следователно е свързан с “привидния заряд”, който на практика може да се измери. Ако означим този заряд с qm, то qm = Ck⸳ΔUа* = q⸳Ck /(Ca+Cb+Ck) ≈ q⸳Ck /(Ca+Ck), (6-7) а отношението qm / q ≈ Ck /(Ca+Ck) ≈ Ck /(Ct+Ck) дава влиянието на капацитета на свързващия кондензатор чувствителността, в схемата за измерване на частични разряди. (6-8) Ck върху При измерване на частичните разряди в обекти с голям капацитет Ct, чувствителността на измерване е малка, а сигналът е съизмерим с електричния шум. Независимо, че Ck и Ct може да се определят точно, възможността за измерване на малките стойности на заряда q намаляват. Уравнение (6.8) се използва за коригиране на измерените стойности на заряда qm, и получаване на стойността на привидния заряд q. Измерването на тока i(t) от частичен разряд е свързано с трудности, които се дължат на следното: Токът породен от частичен разряд е с малка амплитуда <10-4А; Вълната на тока е апериодична със стръмен преден фронт, 5 – 10 ns и продължителност на вълната 20 – 80 ns; Процесът на разпространение на вълната на тока налага да се отчита влиянието на свързващите проводници с техните вълнови съпротивления и скорост на разпространение на вълната. Принципната схема е дадена на фиг. 6-3, [11]. Измервателният импеданс Zm е свързан последователно на свързващия кондензатор Ck. Aко измервателния импеданс е безиндуктивен резистор Zm = Rm, по-точно се измерва формата на вълната на тока и привидния заряд на частичните разряди. Изпитваният обект се захранва през филтър с голяма индуктивност Z, който е така конструиран, че да не пропуска електромагнитни смущения, които се разпространяват от силовото захранване през източника на високо напрежение Tr . Импедансът Z има голяма стойност за високочестотния сигнал от частични разряди и осигурява път на тока i(t) през веригата: изпитен обект – свързващ кондензатор – измервателен импеданс. 78 Свързващите проводници високо напрежение трябва да са конструирани, така че да не генерират частични разряди от корона в схемата за измерване. Проводниците не трябва да имат остри ръбове, закръгленията им трябва да са плавни и да имат достатъчен диаметър. Обикновено те са изработени като гъвкави тръби. Всички остри ръбове на метални части в схемата трябва да бъдат екранирани. Заземителните връзки трябва да бъдат максимално къси, съединени в една потенциална точка. Свързването на измервателния импеданс и измервателния инструмент Mi трябва да бъде с коаксиални кабели. Вълновото съпротивление се съгласува с измервателния импеданс и входното съпротивление на измервателния инструмент. фиг. 6-3. Схема за измерване на частични разряди с измервателен импеданс, последователно на свързващ кондензатор. Подобрения са възможни с включване в схемата на усилвател на входа на сигналния кабел. Изисква се входният капаците на усилвателя да е малък за да не деформира сигнала от частичен разряд. Между проводника, свързващ обекта Ct и земя съществува капацитет от няколко десетки pF. Паразитният капацитет шунтира резистора Rm и по този начин забавя високочестотните компоненти на тока i(t). Тъй като i(t) e много кратък импулс, това води до намаляване амплитудата или максималната стойност на тока. Продължителността на импулса на тока нараства пропорционално на времеконстантата Rm⸳Ct⸳Ck/(Ct+Ck). Промяната на формата на импулса на тока влияе върху точността на измерването на частични разряди. 6.2. Величини характеризиращи развитието на частичните разряди. 6.2.1. Привиден заряд на частичните разряди Определение според БДС 13382-83 Привиден заряд q на импулс от частичен разряд (ЧР) е този заряд, който при инжектирането му за много кратко време между изводите на изпитвания обект в 79 конкретна верига, би дал същото показание на измервателния уред, каквото токов импулс на ЧР. Привидният заряд обикновено се измерва в пикокулони (pC). Забележка: Привидният разряд не е равен на количеството заряд в мястото на разряд, което не може да се измери директно. Определение според БДС EN IEC 60270 Привиден заряд q Абсолютна стойност на такъв заряд, мигновеното въвеждане, на който между електродите на изпитвания обект предизвиква кратковременно изменение на напрежението между тях, с такава стойност, с каквато би се изменило при частичен разряд. Привидният разряд не е равен по стойност на заряда на частичния разряд, при което съотношенията на тези заряди могат да бъдат различни за различни частични разряди в един и същ обект. Привидният заряд възпроизвежда заряда, определящ намалението на напрежението на обекта при частичен разряд в него, и е част от заряда на частичния разряд. Измерването на привидния заряд, като основна величина за нивото на частичните разряди, е въведено като практика при оценка на състоянието на електричната изолация. В редица стандарти за електротехнически съоръжения са въведени горни гранични стойности на привидния заряд в зависимост от вида на електричната изолация. Възможно е в едно съоръжение да има няколко източника на частични разряди. Големината на заряда на последователните импулси е различна, както и броят на частичните разряди за дадени интервали от време. Стареенето на съоръжението, особено в локалните места на развитие на частичните разряди, е динамичен процес, който зависи от редуването на електрохимично стареене и разрядни процеси. Особено важно е да се измерва привидният заряд в динамиката на развитие на дефектите, а не само най-големите максимални стойности. Това налага да се измерват всички импулси от частичните разряди и да се определят: източниците на тези разряди по място (да се локализира мястото и вида на засегнатата изолация); да се анализира вида на електричното поле в мястото на разряда; да се измери qm и се изчисли q привидния заряд на частичните разряди; броя на частичните разряди; мощността на частичните разряди (енергията на въздействие). При изпитванията на място (on-site measurement) се съставя „карта“ на дефектите (определя се броят на дефектите и мястото на възникването им в обема на изолационната система), а при следващи измервания се установява начинът на развитие на всеки дефект. 6.2.2. Среден ток на частичните разряди Средният ток на частичните разряди I се изразява с уравнението 80 I 1 1 m | q1 q2 ... qm | | qi | , T T i 1 (6-9) където Т е периодът от време, а qi са привидните заряди от отделите локални източници. Токът I е интегрална величина, която включва всички отделни импулси, а също и нивото на повтаряемост. Измерването на средния ток I е възможно или чрез линейно усилване и корекция на токовете от частичния разряд, или чрез интегриране и осредняване на данните, получени от измервателния инструмент Mi. 6.2.3. Мощност на частичните разряди Мощността на частичните разряди P, W се дефинира като P 1 | q11 q2 2 ... qm m | , T (6-10) където 1 , 2 ,...., m са моментните стойности на напрежението в момента на разрядите q1 , q2 ,...., qm . При измерването частичните разряди се отделят по видове и за всеки източник на в обема на съоръжението се определя мощността, която е пропорционална на енергията на въздействие върху изолационния материал. 6.2.4. Напрежение на възникване на частични разряди Uincep Напрежение на възникване на частичните разряди е големината на приложено напрежение, при което за първи път се наблюдават повтарящи се частични разряди. Напрежението на възникване на частичните разряди е най-малкото приложено напрежение, при което броят на импулсите става равен или по-голям от определена гранична стойност. 6.2.5. Напрежение на изчезване (гасене) на частични разряди Uext Напрежение на изчезване (гасене) на частични разряди е големината на приложено напрежение, при което спират да се появяват повтарящи се частични разряди в изпитвания обект при понижаване на напрежението. В практиката, напрежението на изчезване на частичните разряди е най-малкото приложено напрежение, при което броят на избрани импулси от частични разряди става равен или по-малък от определена гранична стойност. 6.2.6. Честота на повторение на частичните разряди Честотата на повторение на частичните разряди не е еднаква за целия период на действие на напрежението. Тя се определя с отношението между общия брой импулси, записани за определено време и продължителността на този интервал от време. 6.2.7. Фазов ъгъл φi и време ti на възникване на частични разряди Фазовият ъгъл на възникване на частичните разряди се измерва в електрически градуси от синусоидата на приложеното напрежение. 81 Времето на поява на частичните разряди е времето, измерено от момента на преминаване на изпитвателното напрежение през нула към положителна посока и времето на поява на частичния разряд. 6.2.8. Честотна лента на пропускане на измервателния уред (устройство) Частотната лента е зоната от честоти, при които честотната характеристика се изменя с не повече от 3 dB от стойността й в плоската част. Широколентов измервателен уред (устройство) Измерителен уред (устройство), чиято лента на пропускане обхваща честотната лента на сигнала от измерваното явление. Теснолентов измервателен уред (устройство) Измерителен уред (устройство), чиято лента на пропускане е много по-малка от честотната лента на измервания сигнал. 6.2.9. Разрешаващо време Най-кратък интервал от време между два последователни импулса, при които амплитудната грешка вследствие наслагване на импулсите не превишава 10%. При използването на цифрови осцилоскопи с голяма оперативна памет, разряшаващото време е равно на времето за единичен отчет на измерваната величина, Sa/s. 6.2.10. Градуиране (калибриране) Определяне на количественото съотношение (мащабния коефициент) между показанията на отчитащото устройство на измерителния уред и съответните характеристики на частичните разряди в напълно подготвена схема с включен обект. Градуираща схема Това е схемата, от паралелно включени генератор на градуиращи импулси и проверяващ (градуиращ) кондензатор и използвания при градуирането измерителен уред (устройство). 6.2.11. Фонов шум (електрически шум) Фоновият електричен шум е сигнал, измерен от измервателния инструмент, който е подобен на импулси от частични разряди, но не произлиза от измервания обект. Фоновият шум може да бъде, както бял шум в измервателната система, така и радио смущения или други продължителни или импулсни сигнали. Смущенията са електромагнитни процеси, действащи на измервателната схема, внасящи изкривявания в показанията на измервателното устройство и ограничаващи неговата чувствителност. Външните смущения не зависят от приложеното напрежение и се дължат на: комутационни процеси в странични вериги; на излъчвания от радиопредаватели; от работата на въртящи се машини и съседни на обекта на изпитване съоръжения. Вътрешните смущения зависят от приложеното на обекта напрежение. Обикновено, те възникват при нарастване на напрежението и са свързани с разряди в елементите на схемата (например в 82 изпитвателния трансформатор, съединителния кондензатор, проводниците за високо напрежение) или от искрене в местата на некачествено заземяване на близко разположени съоръжения. 6.3. Влияние на изолация частичните разряди върху електричната Действието на частичните разряди в електрическите изолации е една от основните причини за стареенето им и за голям брой пробиви на съоръжения в процеса на експлоатацията. Развитието на частични разряди в определено място на изолацията действа на околната изолация с отделената при разрядите енергия по различен начин. Стените на включванията се атакуват механично, топлинно, светлинно и химично от частичните разряди. Действието на частичните разряди върху околната изолация зависи както от интензивността на разрядите, така и от устойчивостта на различните изолационни материали. Някои материали като стъкло, слюда, порцелан са по-устойчиви в сравнение с хартиено-маслено изолация, която полесно се разрушава от частичните разряди. Установено е, че слаби по интензивност разряди могат да действат през целия живот на съоръженията, без да предизвикат забележими прoмени в изолацията. Съвременните синтетични материали полиетилен, поливинилхлорид, епоксидни компаунди и др., са чувствителни към действието на частични разряди дори с много малка интензивност. Целта на изследванията в световната практика e да се опознае механизмът на развитие и влиянието на частичните разряди върху електричните съоръжения чрез оценка на състоянието и остатъчния ресурс на изолацията. Една от задачите, е да се определят граници на интензивността на частичните разряди за различни видове изолационни конструкции, чрез които да се класифицират съоръженията в класове на техническото състояние. Причините са следните: величините, характеризиращи частичните разряди, са статистически, често с твърде големи стойности на неопределеност, което затруднява регистриране на опитните изследвания и получаването на достоверни количествени оценки; развитието на частичните разряди е динамичен във времето процес, съпроводен с резки изменения в интензивността на разрядите; интензивността на частичните разряди зависи от голям брой фактори, което затруднява анализа на получените опитни резултати; стареенето на изолацията под действието на частичните разряди е бавен процес и изследването му изисква много продължителни опити в лабораторни или експлоатационни условия. 6.3.1. Частични разряди в хартиено-маслена изолация Хартиено-маслената изолация е част от изолационната структура на силовите трансформатори, но се използва в кондензатори, кабели, някои типове проходни 83 изолатори, кабелни накрайници и кабелни съединители. Тази изолация е нееднородна и слоеста. Състои се от хартия, импрегнирана с масло и маслен слой между отделните слоеве хартия. Отделните видове изолационни конструкции се изпълняват с различна по тип и технология на производство хартиено-маслена изолация. Кондензатори Кондензаторната изолация се състои от няколко слоя плътна кондензаторна хартия, импрегнирана с масло. Импрегнирането се извършва под много ниско остатъчно налягане. В изолацията остава около 0,001 до 0,01 % въздух. Характерно за кондензаторната изолация е равномерността на електричното поле в основната част на изолацията между електродите и рязкото увеличаване на неравномерността и интензитета на електричното поле в края на електродите. Частичните разряди, развиващи се в маслото, действат през целия живот на кондензаторната изолация, определят естественото ѝ стареене. Тези частични разряди се наричат "начални частични разряди". При развитие на началните частични разряди се отделя газ, който се разтваря в маслото. Развитието на началните частични разряди, съпроводено с газоотделяне, постепенно увеличава процентното съдържание на газ в целия обем на маслото. Предполага се, че газът се разпределя равномерно в изолацията поради дифузионните процеси и конвекцията на маслото. Когато настъпи насищане на разтворения газ в кондензаторното масло, се образуват газови включвания – интензивни частични разряди – трек по повърхността на хартиения слой – пробив. Трансформатори Хартиено-маслената изолация е характерна за силови трансформатори за високо и средно напрежение; за измервателни трансформатори за високо напрежение; за реактори; проходни изолатори от маслено бариерен тип и други. Изолацията от този тип се среща при намотки, проводниците на които са изолирани с плътно навита хартиена изолация, положена върху голия проводник или върху лаковата изолация на проводника. Между няколко слоя изолирани проводници се поставя допълнителна изолация от хартия и пресшпан. Между елементи, които се намират под значителна потенциална разлика се поставят бариери във вид на цилиндри или плоскости, изпълнени от хартия, пресшпан или тънък гетинакс. Получената изолация се изсушава във вакуум при повишена температура и се залива с трансформаторно масло. Частични разряди в този тип изолация могат да се развиват в различни места. Те могат да се развият в маслото, в маслените канали на намотките, в маслените канали между намотките, в маслените канали между бариерите, в междунавивковата изолация, по повърхността на пресшпанови подложки или бариери в маслото, както и в газови включвания, образувани по различни причини. Образуването на газови включвания в изолацията по време на експлоатация е най84 често срещаният случай. Това може да се предизвика от резки колебания на температурата, водещи до местни прегрявания на маслото, от недопустими големи стойности на интензитета, причинени от пренапрежения. Под действие на електричното поле газовите мехурчета се деформират и добиват елипсовидна форма и се придвижват към места с по-голяма стойност на интензитет на полето. В близост до газови включвания, между изолационните прегради се развива разряд в маслото между включванията или между газовото включване и изолационната преграда. Разрядите в масло имат голямо хидравлично налягане, което диспергира газовата компонента и намалява интензивността на частичните разряди. Развитието на частични разряди, разкъсването и обединяването на газовите включвания в изолации, импрегнирани с масло с малък вискозитет, е значително по-бърз и динамичен процес, сравнен с аналогичното развитие на частичните разряди в кабелна изолация с вискозно масло. Това води често до бързи изменения на интензивността на частичните разряди. При работа на съоръжения, които не са херметично затворени, постъпва влага от околния въздух, която се разтваря в маслото. При значително количество влага, част от нея остава във вид на емулсия и дори се утаява. Наличието на влага в изолацията намалява началния интензитет на частичните разряди и увеличава броя на импулсите им. Развитието на частични разряди в комбинираната изолация предизвиква разлагане на маслото, съпроводено с отделяне на водород и тежки фракции, които се отлагат по повърхността на твърдата изолация (шлам). Нормирането на допустима стойност на привидния заряд на частичните разряди в комбинирана хартиеномаслена изолация е извънредно трудно, което се определя от различното действие на частичните разряди за отделните зони на развитието им. Частични разряди с привиден заряд до 300 рС са безопасни, ако се развиват в масло със свободна циркулация в казана. Те предизвикват бавно и естествено остаряване на изолацията, свързано със слабо повишаване на съдържанието на газ на маслото и слабо отлагане на тежки фракции по хартията или пресшпана. Развитието на частични разряди в маслото на места, в които циркулацията му е затруднена, дори и при малка интензивност, представлява опасност за изолацията. Образуват се газови включвания и трек по твърдата изолация, в които започва развитие на интензивни частични разряди. Определянето на мястото на източника на частични разряди в комбинирана електрическаизолация е ключова информация за оценка степента на опасност от действие на частичните разряди. 6.4. Измерване на частични разряди 6.4.1. Схеми за измерване на частични разряди Уредите за измерване на частични разряди трябва да изпълняват изискванията на IEC 60270, Раздел 4., IEEE Std C57.124, IEEE C57.113, IEEE P1434/D1.1, IEEE C57.113, IEEE Std 400.3, Раздел 5., и са част от системата за измерване. 85 Уредите за измерване на частични разряди (означени като MI в IEC 60270) се класифицират в зависимост от начина на интегриране сигнала – интегриране в честотни интервали или интегриране в интервали по време. Основната деформация на сигнала става във входния филтър или интегриращ блок на уредите за измерване на частични разряди. Причината е ограничаването на честотния диапазон за да се подобри отношението „сигнал от частични разряди“ и „несинхронен електричен шум“. Този подход е приложим при измерване на частични разряди в лабораторни условия. Действителните времеви и честотни зависимости на сигнали от частични разряди се определят чрез измерване в широк честотен диапазон с горна граница до 1÷2 GHz, което не деформира оригиналния сигнал. Уредите за измерване на частични разряди се делят, в зависимост от лентата на пропускане на входния филтър и измерващ блок на: уреди в тесен честотен диапазон, около 10 kHz; уреди с широк честотен диапазон, 100÷500 kHz и уреди с ултра широк честотен диапазон над 100 MHz. Високо честотните и ултрависоко честотните измервателни устройства имат лента на пропускане от 100 MHz до 10 GHz, което позволява да се анализират всички сигнали и да се приложат техники на разпознаване на образи (формата на импулсите), да се реализира разпознаване и точно измерване на частични разряди с големина по-малка от фоновия шум. Използването на измервателни уреди на сигнали от частични разряди в електрични съоръжения с честотна лента 1 GHz и дискретизация на сигнала 1 GSa/s е достатъчно, без да се загубва информация за формата, големината и вида на сигнала от частични разряди. В съответствие със стандарт БДС EN 60270:2003 [2] схемите за измерване на частични разряди са три, фиг.6.4. Схемата на фиг. 6.4 а). е обърната схема с оптична връзка OL към измервателния импеданс CD. Правата схема за измерване на частични разряди е показана на фиг. 6-4 б)., а на фиг. 6-4 в). – диференциална схема. 86 а). б). в). Zmi Ca Обект за изпитване; Ck Свързващ кондензатор; MI Уред за измерване; Входен импеданс на уред за измерване; Z Филтър на захранващия източник; CC Коаксиален свързващ кабел; OL Оптичен свързващ кабел; CD Свързващ четириполюсник. фиг. 6-4. Схеми на измерване на частични разряди 6.4.2. Калибриране на схемата за измерване на привиден заряд q Калибриране на схемата за измерване на привиден заряд q, се прави с инжектиране на токов импулс от калибратор G (step voltage generator) на изводите на изпитвания обект, както е описано в точка 6.2 на стандарта [2], фиг. 6-5. Калибрирането трябва 87 да се извършва на обхват на съответния диапазон на очакваната стойност на частичните разряди, за да се осигури добра точност на оценка на привидния заряд. Когато кондензаторът C0 на калибратора G е за ниско напрежение, калибрирането на цялата изпитвателна схема се прави с включени всички елементи и при незахранен изпитвателен обект. Стойността на капацитета на кондензатора C0 трябва да е не по-малък от 10% от капацитета на обекта C0 > 0,1 Cа. Ако изискванията за калибратора са спазени, калибрационния сигнал е еквивалентен на еднократен разряд с големина q0 = U0⸳C0. фиг. 6-5. а. Калибриране на права схема на измерване на частични разряди Преди да се подаде захранващо напрежение, C0 трябва да се отстрани от схемата. Ако C0 е за високо напрежение, той може да остане свързан към схемата. В случай на висок изпитвателен обект, калибратора G с капацитет C0 се свързва в близост до извода за високо напрежение на обекта, тъй като паразитният капацитет Cs може да внесе грешка в измерването. Фиг. 6-4. б. Калибриране на обратна схема на измерване на частични разряди Свързващият кабел между калибратора и кондензатора C0 се екранира и има подходящи изводи и е съгласуван с вълновото съпротивление на обекта за избягване на деформация на сигнала от многократно отражение на вълната. 6.4.3. Неопределеност при измерване на частични разряди Моделът на процеса на измерване се представя със зависимостта на измерения привиден заряд от елементите и режима на измерване. Измереният сигнал от частични разряди е пропорционален на големината на пренесения заряд от мястото на източника до измерителния уред и електричния шум Qnoise. 88 C a Ck K G Rin i (t )dt Qnoise . Ck q (6-11) Средно квадратична неопределеност на входните величини тип “B” и коефициент на чувствителност за отделните компоненти са дадени в таблица 6-1. Таблица 6-1 Елемент от Компоненти на схемата неопределеност Оценка на входните величини Коефициент на чувствителност Тип “B” Градуиращ генератор Привиден заряд Qg 1 Електрически шум Големина Qnoise 1 Големина Ck Свързващ кондензатор Измерителен уред ug 2 C k (T ) Абсолютна температура C k 20 (1 Ck T ) Rin (T ) Абсолютна температура Rin 20 (1 Rin T ) Нелинейност на усилването u noise Ca 2 Ck uCT 1 C k ( Tmax ) 1 3 C k (T20 ) uR 1 Rin 20 R in KG t r 2 ug n uC Ck 20 Ck R in Големина Съгласуващ резистор Средно квадратична неопределеност на входните величини u RT 1 Rin ( Tmax ) 1 3 Rin (T20 ) uKG 1 Ако са известни данните за неопределеността на входните величини, „Свързващ кондензатор“, „Съгласуващ резистор“, „Коефициент на усилване на измервателен уред“ определени при калибрирането им, е възможно да се оцени комбинираната неопределеност от тип „В“. Комбинираната неопределеност от тип „В“ е u sys B ( xpC ) Q g ( xpC ) u g ( xpC ) Q g ( xpC ) 2 C a2 u Ck C C k k 2 Ck u CT 2 u Rin Rin 2 Rin u RT 2 uK G KG 2 2 2 u noise (6-12) Неопределеността при измерване на частични разряди може да се намали, като се използват методите за разпознаване и отделяне на сиглите от частични разряди от смесения сигнал с електрически шум. 89 Повишаването на чувствителността при измерване в експлоатационни условия е възможно при наличие на четири канални системи за синхронно регистриране на сигналите от частични разряди и локация на мястото на източника в обема на изолационната конструкция. Използването на системи за измерване на сигналите от частични разряди с честотна лента до 1 GHz е достатъчно без да се загубва информация за формата, големината и вида на сигнала от частични разряди. 90 Част II. ПРЕНАПРЕЖЕНИЯ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГИЙНИТЕ СИСТЕМИ Основни понятия и определения. Пренапрежение в електроенергийната система се нарича всяко повишение на напрежението над максимално допустимото работно напрежение. Пренапреженията биват 1. Фазови - действуват върху изолацията на тоководещите части към земя, имат най-голямо практическо значение и са обект на разглеждане в настоящия курс; 2. Междуфазни; 3. Пренапрежения в намотките на трансформатори и електрически машини; 4. Междуконтактни, приложени между отворените контакти на едноименните фази на прекъсвачите и разединителите. По вида на причината за възникване широко разпространена е следната класификация на пренапреженията: 1) външни; 2) вътрешни пренапрежения. Към външните пренапрежения спадат: пренапреженията, предизвикани от попадения на мълния върху електрическите уредби; от допиране на прекъснат проводник от ВЕП с по-висок клас на напрежение до проводник от ВЕП с по-нисък клас на напрежение в мястото на пресичане на двата електропровода; от електромагнитната индукция на високи потенциали във ВЕП с по-нисък клас на напрежение от ВЕП с по-висок клас на напрежение. Тази група явления, отнесени към външните пренапрежения, има следните съществени особености: по характеристики пренапреженията при попадение на мълнии в електротехническите уредби принципно се отличават от пренапреженията във ВЕП с по-нисък клас на напрежение при допир с проводник от мрежа с по-висок клас на напрежение, а също така и от индуктирани от ВЕП с по-висок клас на напрежение във ВЕП с по-нисък клас на напрежение. Пренапреженията при допиране на проводници от електропроводи с различен клас на напрежение е много рядко събитие и не се взема под внимание при оразмеряване на изолацията. Индуктираните потенциали са от значение при съобщителните линии и нямат отношение към изолацията. Към вътрешните пренапрежения се отнасят: пренапреженията на преходния процес и пренапреженията при установяващ се режим. Тези две групи пренапрежения се различават съществено по характеристиките си и винаги са свързани с промяна на състоянието на системата или на някоя нейна част (обикновено при превключване, земни съединения и др.). Въз основа на казаното по-горе за електроенергийните системи от гледна точка на проблемите на изолацията за ВН може да се приеме следната по-проста и пологична класификация. 91 Атмосферни пренапрежения. Те се получават при попадения на мълния върху електротехническите съоръжения (или в близост до тях) и се разпространяват като електромагнитна вълна в електроенергийната система. Комутационни пренапрежения. Характеризират се с амплитудата на преходната съставяща на напрежението със собствена честота при комутации в електроенергийната система (EEC). Под комутация в широк смисъл се разбира произволно изменение на параметрите на заместващите схеми при нормални превключвания и различни видове къси и земни съединения, а така също и изменения на е. д. н. Установяващи се пренапрежения. Те се представят от амплитудата на принудената съставяща на напрежението в преходния процес с честотата на източника . Последните две групи пренапрежения по тази класификация съществено се различават по характеристиките си, но са неизменно съпътстващи се във времето. Цялостният процес се подразделя на следните периоди: период I — комутационно пренапрежение като сума от свободна и принудена съставяща; период II — установяващо се пренапрежение, представено с принудената съставяща; период III — установяване на нормалния режим чрез въздействие върху възбуждането на регулаторите. В някои случаи третият период липсва, например при земно съединение (з. с.) в мрежи с недиректно заземена неутрала. Основните характеристики на пренапреженията са следните: Амплитудата на пренапрежението. За последните две групи от класификацията е прието амплитудата на пренапрежението U m да се дава като кратност по отношение на максимално допустимото работно напрежение U p m . Различават се следните кратности: Куст - отношение на амплитудата на принудената съставяща към U p m ; Куд - отношение на амплитудата на напрежението на преходния процес към амплитудата на принудената съставяща (ударен коефициент); Кn =Куст .Куд отношение на амплитудата на преходния процес към U p m (кратност на пренапрежението). В Таблица 1 са показани номиналните и максимално трайните работни напрежения в зависимост от класа на напрежението, а в Таблица 2 максималните кратности на пренапреженията в електрическите системи. Таблица 0-1 Uн, кV1 3,0 6,0 Kтр.2 1,2 Uмакс.тр.раб., кV3 3,6 7,2 Кл. на напр., кV Ср.Н. 1 Номиналното напрежение за съответния клас на напрежение Ктр. – коефициент отразяващ отношението на максималното трайно работно напрежение към номиналното. 3 Максимално трайно работно напрежение. Отразява напрежението, което изолациите и изолационните конструкции трябва да издържат през времето на експлоатация. 2 92 10,0 12,0 20,0 24,0 35,0 42,0 110,0 220,0 400,0 750,0 1,1 1,05 121,0 242,0 420,0 787,5 В.Н. С.В.Н. Таблица 0-2 Uн, kV 20,0 110,0 220,0 400,0 750,0 Кратност на пренапреженията Атмосферни1 Комутационни2 по ВЕЛ в п/ст 9,0÷10,0 6,5÷7,5 3,5÷4,0 6,5÷7,0 4,5÷5,5 3,0÷3,2 5,8÷6,2 4,1÷5,0 2,8÷3,1 4,2÷5,0 3,6÷4,2 2,6÷2,8 3,5÷4,5 2,5÷3,1 2,0÷2,1 Установени3 1,8 1,4 1,4 1,8 1,5 Продължителност на пренапрежението. Атмосферните пренапрежения имат продължителност в микросекундната времева област. Комутационните пренапрежения имат продължителност от порядъка на милисекунди. Установяващите се пренапрежения могат да имат продължителност части от секундата (при капацитивен ефект, резонансни явления и к. с. в системи с директно заземена неутрала) и неограничена продължителност при з. с. в системи с изолирана или заземена през Петерсенова бобина неутрала. Дължина на фронта на импулсната вълна на пренапрежение. Употребява се при атмосферни и комутационни пренапрежения. 7. Установени пренапрежения Установените пренапрежения са класифицират като: 1. Пренапрежения в зависимост от начина на заземяване на неутралата на трансформаторите като елементи и на електроенергийната система. 2. Резонансни пренапрежения. 3. Пренапрежения от капацитивен ефект. 1 Кратността на атмосферните пренапрежения е оценена от импулсното изолационно ниво на изолацията на въздушните електропроводни линии (ВЕЛ) и на съоръженията в подстанциите. 2 Кратността на комутационните пренапрежения е приета равна на изчислителните стойности. 3 За системите СВН (Табл. 1) е дадена изчислителна стойност на установените напрежения, до която те се ограничават от средствата за защита от пренапрежения. За системите с класове напрежения 20÷220 kV, не се налага да бъдат ограничавани установените напрежения. 93 7.1. Режими на неутралата на електроенергийните системи. 7.1.1. Мрежи с изолиран звезден център При тези мрежи звездните центрове на намотките на всички електрически машини и други елементи, които имат електрическавръзка с мрежата, са изолирани от земята. Връзката между мрежата и земята се осъществява само чрез равномерно разпределените по дължината на електропроводните линии капацитети и активни проводимости на изолацията спрямо земята. Заместваща схема на електрическамрежа, работеща с изолиран звезден център в нормален режим, е показана на фиг.1. U AN U A U BN U B N UCN UC U N YC YB IC YA IB IA фиг. 7-1. Схема на трифазна мрежа с изолиран звезден център в нормален режим Активните проводимости са много по-малки от капацитивните. Следователно, може да се приеме, че YA j C A ; YB j C B ; YC j CC . За да се намери напрежението на звездния център UN, е необходимо да се определят токовете IA , IB , IC през проводимостите на отделните фази към земя. IA YA (U AN U N ); I B YB (U BN U N ); IC YC (U CN U N ). За сумарният ток IΣ може да се напише I IA IB IC 0 7-1) 7-2) След заместване на изразите от (7-1) в (7-2) за напрежението на звездния център UN при нормално състояние на изолацията се намира зависимостта Y U YB U BN YC U CN U N A AN 7-3) YA YB YC От (7-3) се вижда, че при симетрични фазови напрежения на захранващия източник и еднакви фазови проводимости, напрежението на звездния център спрямо земя е равно на нула. Ако фазовите напрежения на източника са симетрични, но проводимостите на изолацията на фазите спрямо земя са различни, напрежението на звездния център не 94 е нула. То се нарича напрежение на несиметрия и е причина за поява на несиметрия на напреженията към земя - Ui (фиг. 7-2). фиг. 7-2. Векторна диаграма, показваща несиметрията при различни проводимости на фазите спрямо земя Допустимата стойност на напрежението на несиметрия при отсъствие на з.с. в мрежата е 15 % от фазовото напрежение при продължителна работа и 30 % за 1 час. При изразяване на симетричните фазови напрежения на трите фази чрез напрежението Uф и оператора а=еj(2π/3) за напрежението на несиметрия се получава YA U AN YB U BN YC U CN YA а 2 YB а YC U N НС U ф YA YB YC YA YB YC 7-4) При пренебрегване на активната проводимост на изолацията напрежението на несиметрия, предизвикано от капацитивната несиметрия на мрежата, се определя от израза C a 2 C B a CC U N НС U ф A 7-5) C A CB CC Напрежения и токове при еднофазно земно съединение При определяне на напрежението на звездния център при еднофазно земно съединение може да се приеме, че мрежата няма капацитивна несиметрия (СА= СB = СC =С). Фазовите напрежения на източника се приемат симетрични и равни по модул на фазовото напрежение, т.е. U AN U BN U CN U ф . При тези условия напрежението на звездния център е CA a 2 CB a CC Yз.с. Yз.с. U N U ф U ф CA CB CC Yз.с. 3 jC Yз.с. 7-6) 1 Y Тъй като з.с. Z , то (7-6) придобива вида з .с . U N U ф 1 k П U ф , 1 3 jC Z з.с. 7-7) където kП – кратност на пренапрежението. 95 Напреженията на фазите спрямо земя се определят като геометрична сума от напреженията им спрямо звездния център и напрежението на звездния център спрямо земя. Напрежението на повредената фаза спрямо земя е j 3C Z з.с. 1 U А U AN U N U ф U ф U ф 7-8) 1 3 jC Z з.с. 1 3 jC Z з.с. Напреженията на неповредените (здрави) фази към земя се намират аналогично и са съответно a 2 j 3C Z з.с. 1 1 ; U B U BN U N U ф 1 3 j C Z з.с. 7-9) U C U CN U N U ф a j 3 C Z з.с. 1 1 1 3 j C Z з.с. Векторната диаграма на напреженията при метално земно съединение (R=0) е дадена на фиг. 7-3. В този случай напрежението на звездния център UN достига по модул максимална стойност, равна на фазовото напрежение на мрежата UA, но с обратен знак на напрежението на повредената фаза, т.е. UN= - UA. Поради това напрежението на повредената фаза към земя става равно на нула. Напреженията на здравите фази към земя се увеличават по абсолютна стойност до междуфазните напрежения U B U C 1, 73 U ф U и са дефазирани помежду си на 60 °. Следователно kП= 3 . фиг. 7-3. Векторна диаграма на напреженията в мрежа с изолиран звезден център при еднофазно метално з.с. Когато ZЗС=R напрежението на звездния център спрямо земя е: U N U ф 1 1 3 j C R 7-10) Умножават се числителя и знаменателя на (13.10) с (1 3 jC R ) и след съответни преобразования се получава: U ф 3CR U ф 1 1 3 jC R U N U ф U ф j 7-11) 2 1 3 jC R 1 (3C R)2 1 (3C R)2 1 (3C R) Изразът (7-11) е уравнение на полуокръжност с радиус, равен на Uф. Върхът на UN 96 е геометрично място от точки, определящо полуокръжност. На фиг. 5 е показана векторната диаграма на напреженията при Zз.с.=R. От векторната диаграма се вижда, че напреженията на фазите към земя UA, UB, UC са несиметрични. Линейните напрежения между фазите обаче се запазват. Краткостта на пренапрежението в този случай ще бъде 0<kП< 3 7-12) kП=0, когато R=∞; kП< 3 , когато R=0. U AN U BN U CN U N U N U N U N фиг. 7-4 Векторна диаграма на напреженията в мрежа с изолиран звезден център при еднофазно з.с. на фаза А При определени условия в мястото на з.с. възниква прекъсваща се електрическадъга, която изгасва при всяко преминаване на тока на з.с. през нулата и се запалва отново, когато възстановяващото се напрежение на повредената фаза (напрежението, което се появява на контактите на прекъсвача непосредствено след изгасването на дъгата) надвиши пробивното напрежение на силно йонизирания дъгов промеждутък. В този случай в мрежата могат да се получат пренапрежения до 3,2Uф, които да станат причина за нови пробиви в други точки на мрежата, в които нивото на изолацията е понижено. По посочените причини условията, при които работи изолацията в мрежите с изолиран звезден център, са тежки и изолацията на фазите трябва да бъде оразмерена за междуфазното напрежение (1,73Uф). Векторна диаграма на токовете при еднофазно земно съединение и R=0 е дадена на фиг.6. В този случай капацитетът на повредената фаза се шунтира от з.с., а капацитетите на здравите фази не се изменят. Поради това токовете през капацитетите на здравите фази към земята IB и IC се определят от напреженията към земя на съответните фази UB и UC и от фазовите капацитети. Те изпреварват напреженията на 90°. Тъй като напреженията на UB и UC по модул са 3 пъти по-големи от фазовото напрежение Uф, то и токовете са 3 пъти по-големи по модул от токовете в нормален режим. При симетрия на 97 напреженията и на IB = IC = 3 Cф U ф . капацитетите на мрежата следва, че по модул U AN U CN U BN фиг. 7-5 Векторна диаграма на капацитивните токове и напрежения в мрежа с изолиран звезден център при еднофазно з.с. на фаза А Токът на з.с. е геометрична сума от токовете на здравите фази към земя, т.е. Iз IB IC . Този ток е капацитивен и изпреварва на 90° напрежението на звездния център UN. По модул е равен на I з 3 I B 3 IC 3 Cф Uф 3 C0l Uф 7-13) където С0 е капацитетът спрямо земя на електрически свързаните електропроводни линии на мрежата, отнесен към единица дължина; l- сумарната дължина на електропроводните линии. Мрежи с изолиран звезден център се прилагат при: - въздушни електроснабдителни мрежи за 20 kV с капацитивен ток до 15 А, а за мрежи 35 kV - с ток до 10 А; - при кабелни мрежи средно напрежение с капацитивен ток 5 - 10 А. При по-големи токове земното съединение прераства в късо; - в мрежи за генераторно напрежение на блокове генератор-трансформатор в електрическите централи при капацитивен ток до 5 А. При по-големи токове се получава прегряване в стоманения пакет на статора на генератора. 7.1.2. Мрежи със заземен през индуктивност звезден център В обширните открити мрежи за средно напрежение, при които капацитивните токове са по-големи от 15 А, между звездния център и земята се свързва индуктивна бобина - т. н. дъгогасителен реактор. С това се цели да се намали токът при з. с. под граничната стойност за самоизгасване на дъгата. Действително при з.с. на фаза А, ако се пренебрегнат утечките в изолацията на фазите, токът на з.с. ще бъде сума от капацитивните токове на здравите фази B и C и от индуктивния ток IL през реактора (фиг.7) 98 Iз IB IC IL 7-14) И при компенсираните мрежи напрежението на звездния център при з. с. на фаза A става U N - U A понеже съпротивлението в мястото на з. с. е много по-малко от реактанса на дъгогасителния реактор. Напреженията на здравите фази стават равни на линейните - също както при мрежите с изолиран звезден център. Ето защо IB IC Ikaп. j3 Cф U N 7-15) Токът през реактора е U N IL , j Lp 7-16) а за токът на з.с. се получава U AN U N IL U A 0 U U U BN U B UC UCA CN YC Lp BC YB IC YA IB IL IB IC фиг. 7-6 Заместваща схема при компенсирана мрежа 1 Iз j 3 Cф Lp U N Ikap. 1 , 7-17) където IL 1 2 Iкап. 3 L p Cф 7-18) се нарича степен на компенсация на мрежата. Ако =1, то Iз.с.=0 и дъгата в мястото на з.с. ще самоизгасне. Този режим на работа се нарича режим с точна настройка на компенсацията. При точната настройка токът през реактора е равен по големина на капацитивния ток, но е дефазиран от него на 180 °, поради което сумата им е равна на нула. Точната настройка осигурява оптимален режим на работа на компенсираните мрежи, но поддържането й в експлоатационни условия е много трудно, понеже параметрите на мрежата непрекъснато се изменят. Ето защо в практиката обикновено ≠1. 99 При <1 мощността на реактора е по-малка от капацитивната мощност на мрежата и е недостатъчна за точно компенсиране. Токът през мястото на з. с. е различен от нула и има капацитивен характер. Този режим се нарича режим с подкомпенсация Ако обаче мощността на дъгогасителния реактор е по-голяма от капацитивната мощност, токът в мястото на з. с. ще има индуктивен характер. Това е режим с надкомпенсация, при който >1. Надкомпенсацията е за предпочитане пред подкомпенсацията, понеже при евентуално разширение на мрежата капацитивната й мощност ще се увеличи. Напрежение на звездния център при несиметрия При нормален работен режим и наличие на несиметрия във фазовите проводимости напрежението на звездния център на компенсираните мрежи е значително поголямо от това в мрежите с изолиран звезден център. За да покажем това, ще разгледаме фиг. 7-6. I I I I 0 7-19) А B C L Ако в това равенство заместим (1) и (16), за напрежението на звездния център се получава Y U YB U BN YC U CN U N A AN . 1 YA YB YC j Lp 7-20) В дясната част на (20) може да се въведе напрежението на несиметрия Uн.с., което мрежата би имала, ако беше с изолиран звезден център: Y U AN YB U BN YC U CN U НС A . YA YB YC 7-21) Тогава U N U НС YA YB YC YA YB YC j Lp . 7-22) За да се анализира влиянието на дъгогасителния реактор върху напрежението на звездния център, ще пренебрегнем активните проводимости на фазите към земя. Като поставим в (7-22) YA YB YC се получава U N U НС 1 1 1 3 L p Cф U НС . 1 2 7-23) 100 От (7-23) се вижда, че при точна настройка ( =1) дори и най-малката несиметрия довежда до това, че напрежението на звездния център става безкрайно голямо. В реалните мрежи поради наличието на активни проводимости напрежението на звездния център не нараства до безкрайност, но може да достигне твърде големи стойности, пропорционални на U НС . Затова преди компенсиране на дадена мрежа трябва да се уеднаквят до възможно най-голямата степен фазовите й проводимости. Наредба №3 за устройство на електрическите уредби и електропроводните линии допуска най-голямата стойност на U НС преди компенсирането на мрежата да е 0,75% от U ф . 7.1.3. Мрежи със заземен през резистор звезден център Условията за самоизгасване на дъгата в силовите кабели са неблагоприятни, понеже там дъгата гори в тясното пространство между жилото на кабела и заземената му обвивка или броня. Дори при точна настройка остатъчният ток е достатъчно голям, за да поддържа горенето на дъгата. По тази причина броят на преходните з.с. в кабелните мрежи е много малък. Освен това продължителното горене на дъгата е предпоставка за възникване на пренапрежения и повторни пробиви от тях в други места на мрежата. Повишаването на експлоатационната сигурност на кабелните мрежи може да се постигне не като се създават условия за самоизгасване на дъгата, а чрез реализиране на бързо и селективно изключване на повредения участък. За да се осигури селективната работа на релейната защита при з. с., необходимо е тока на з.с. да достигне стойност от порядъка на стотици ампери - значително по-голяма от капацитивния ток. Това се постига чрез заземяване през резистор на звездния център на мрежата. През мястото на з. с. ще протича сумата от капацитивния ток на мрежата ( Ikap. ) и тока през резистора ( IR ) (фиг.8): Iз IR Ikap. Понеже токът през резистора е чисто активен ( IR 7-24) U N ), той изостава на 90° от R капацитивния ток Ikap. . Ефективната стойност на тока на з.с. е Iз 2 2 IR Iкап. U ф R 2 (3Cф )2 7-25) Съпротивлението на резистора се избира достатъчно малко, за да се осигури селективна работа на защитата, но и достатъчно голямо, така че тока на з.с. да не нарасне прекомерно и да не причинява големи електродинамични и термични натоварвания на прекъсвачите и на другите съоръжения в мрежата. Резисторите се присъединяват непосредствено към звездните центрове на трансформаторите или чрез звездообразуващи дросели. Всички изводи на кабелната мрежа се съоръжават с максималнотокови защити, реагиращи на токовете с нулева последователност. 101 Защитите действат на изключване, така че повреденият извод се изключва без забавяне – преди още повредата да се е разширила. U AN U N IR U A U BN U U B UC CN R YC YB YA IC IB IA фиг. 7-7. Схема на трифазна мрежа със заземен през резистор звезден център 7.1.4. Системи с комбиниран начин на заземяване на неутралата В смесените мрежи за средно напрежение се практикува т. н. комбиниран начин на заземяване на звездния център (фиг. 7-8). U AN U BN U CN R Lp U A U B UC YC YB YA IC IB IA фиг. 7-8. Схема на трифазна мрежа с комбинирано заземяване на звездния център Нормално мрежата работи като компенсирана с дъгогасителен реактор, което намалява големината на земния ток. Ако дъгата самоизгасне (напр., ако з. с. е било в открит електропровод), нормалната работа на мрежата се възстановява от само себе си, без автоматично изключване. Ако обаче дъгата в мястото на з. с. не самоизгасне, след определено кратко време (части от секундата) релейната защита подава команда за включване на резистор паралелно на дъгогасителния реактор. Мрежата преминава в режим на заземен през резистор звезден център и повреденият извод се изключва селективно. Комбинираният начин на заземяване съчетава предимствата на компенсираните мрежи и на мрежите със заземен през активно съпротивление звезден център. 7.1.5. Мрежи с ефективно заземен звезден център В тези мрежи звездните центрове на част от силовите трансформатори се присъединяват директно към земя. Поради това земните съединения са фактически 102 (1) еднофазни къси съединения (к.с.), а токът е ток на еднофазно к.с. - I к.с. и е съиз(3) мерим по големина с тока на трифазно к.с. I к.с. . Напреженията на здравите фази (фиг. 7-9) и токът през заземената фаза се изчисляват чрез метода на симетричните съставящи. U AN U A 0 U BN U U B kз Uф U k U CN C Iз з ф Iз фиг. 7-9. Схема на трифазна мрежа с директно заземен звезден център 3 (1) (3) I I I ; A к . с . к . с . 2 (3) U ф I к .с. ; Z1 U B U C k з U ф , 7-26) където kз a 1 2 е коефициент на заземяване на звездния център, а Z 0 Z1 7-27) 7-28) е отношението между импедансите с нулева и с права последователност на мрежата спрямо мястото на з.с. От (7-26) и (7-27) се вижда, че токът на еднофазно к.с. и коефициентът на заземяване зависят само от . При R1<<Х1 за се получава R0 jX 0 X 0 R j 0. R1 jX1 X1 X1 7-29) 103 На фиг. 7-10 е показана зависимостта на коефициента на заземяване на звездния център от отношенията на активното R0 и реактивното X0 съпротивление с нулева последователност на мрежата към реактивното съпротивление с права последователност Х1. фиг. 7-10. Коефициент на заземяване Кз на звездния център в А: 1≤ kз≤1,2; в зона Б: 1,21≤ kз≤1,3; в зона В: 1,31≤ kз≤1,38; в зона Г: 1,38≤ kз≤1,73 Мрежи, във всички точки на които kз≤1,38, са с ефективно заземен звезден център. При з. с. в такива мрежи напреженията на здравите фази стават най-много равни на 80% от Uл. От фиг. 7-10 се вижда, че за да бъде една мрежа с ефективно заземен звезден център, достатъчно е за всички точки от мрежата да бъде изпълнено R0 1; X1 X0 3. X1 7-30) За да се удовлетворят условията (29), трябва да се заземят директно звездните центрове на значителна част от трансформаторите в мрежата. Колкото по-голям е броят на заземените трансформатори, толкова по малък е kз, понеже се намалява импедансът с нулева последователност на мрежата. От това се намаляват и напреженията на здравите фази, но се увеличават токовете при еднофазно к. с. Токовете на еднофазно к. с. не трябва да са по-големи от тези при трифазни к. с., които са меродавни за изключвателната мощност на прекъсвачите в мрежата. Ето защо броят и мястото на заземените трансформатори се избират така, че във всички (1) (3) точки от мрежа та kз≤1,38, но I к.с. 1,1 I к.с. . 7.2. Резонансни пренапрежения От курса по Теоретична електротехника е известно, че резонансът е явление, при което напрежението и токът на изводите на пасивен двуполюсник, който съдържа резистори, бобини и кондензатори, при синусоидален режим съвпадат по фаза. Комплексното съпротивление на двуполюсника има чисто резистивен характер. От определението за резонанс следва, че фазовото условие за резонанс е фазовата разлика между тока и напрежението да бъде равна на нула φе = 0. 104 В електрическите мрежи, резонанс настъпва при съчетание на стойностите на индуктивността и капацитета, при което собствената й честота е равна на честотата на източника или на някоя от хармоничните. В зависимост на това се различават: резонанс на основната честота (fн =50 Hz), резонанс при субхармонична (fc = fн/n , където n е цяло число) и резонанс при ултрахармонична честота (fc = fн.n). Резонансните явления са установени и траят докато веригата запазва необходимите параметри за резонанс. Различават се три вида резонанси: линеен, параметрически и нелинеен (автопараметрически). Линеен резонанс може да възникне ако собствената честота на един линеен контур съставен от R, L и C елементи е близка до тази на захранващия източник. Параметрически резонанс се наблюдава в случай, че индуктивността L включена в R, L, C контур се изменя по периодичен закон и честотата на собствените колебания на веригата е близка до половината от честотата на изменение на индуктивността L. Това е режим, който възниква без участието на захранващия източник. При линейния и параметрическия резонанс се получава нарастване на амплитудата на режимните параметри при достатъчно малко R включено в схемата. Нелинеен (автопараметрически) - когато в колебателния контур има включена нелинейна индуктивност този резонанс се нарича нелинеен или ферорезонанс. Такъв резонанс е възможен под действието на захранващото напрежение и достатъчно малко активно съпротивление. Амплитудата на възникналите колебания се ограничава от нелинейността на веригата. В случая скокообразния преход към резонансен режим се осъществява в резултат на периодически изменящ се параметър с двойна честота спрямо тази на приложеното напрежение. Поради това такъв вид резонанс може да се нарича и автопараметрически. Според последователността на елементите в схемата се различават два типа резонанс: последователен и паралелен. Последователният се нарича още напрежителен резонанс понеже напрежението във веригата нараства Q пъти, където Q е качественият фактор на трептящата система. Аналогично при паралелният резонанс токът се увеличава Q пъти и за това е наричан токов. На фиг. 7-11 и 7-12 са показани съответно верига с последователен и паралелен резонанс. фиг. 7-11. Последователен резонанс фиг. 7-12. Паралелен резонанс Резонансната честото 0 зависи от индуктивността, капацитета и активното съпротивление във веригата. При пренебрежимо малка стойност на 105 съпротивлението резонансната честота 0 се определя чрез израза: 1 ; L.C 0 Q 7-31) L ; C 7-32) ; 7-33) R Където ρ е характеристичното съпротивление на веригата. На фиг. 7-13 е показана зависимостта на пада на напрежението върху елементите на веригата в зависимост от честотата при последователен (напрежителен) резонанс. фиг. 7-13. Зависимост на пада на напрежението върху R, C и L елементите от честотата на захранващото напрежение От зависимостта за Q става ясно, че с увеличаване на активното съпротивление R, качественият фактор Q намалява и така може да се намали амплитудата на резонансното пренапрежение. Пример за резонанс в системите за средно напрежение с изолирана неутрала е следния. Мощен трансформатор захранва с въздушен електропровод слабо натоварен трансформатор. При скъсване на единият от захранващите проводници се образуват три междуфазни капацитета C (фиг.7-14.). Tака се създават условия за резонанс. Токът през фаза А през мястото на трите капацитета (точка m) ще тече към земя и ще се връща през капацитета образуван от скъсаният проводник и земя в същата фаза ` . Токът се разделя през междуфазният капацитет и индуктивността на трансформатора LT и веригата се затваря през фази В и С на захранващият източник. Опростен модел на схемата е показан на фигура 7-15, като еквивалентното напрежение на източника Uекв = 1,5Uф. Следващото опростяване е изобразено на фиг. 7-16. Допуска се, че междуфазните капацитети са напълно симетрични и С и В са симетрични и точки О и О’ съвпадат. 106 фиг. 7-14. Резонансно пренапрежение при скъсване на проводник на фаза А При резонанс на веригата между точки m и n може да се получи пренапрежение надхвърлящо 3 Uф (сумирането на фазните напрежения е показано на фиг.7-17). Наблюдава се и ефекта ‘’преобръщане на фазите” – звездата на напрежение на захранващия трансформатор А’ В’ С’ е обърната спрямо А В С. Двигатели с малък товар спират и започват да се въртят в обратна посока. фиг. 7-15 фиг. 7-16 фиг. 7-17 В системи с ефективно заземена неутрала при преобразуване напрежението на еквивалентният генератор не надвишава 0,5.Uф. Така резонансните напрежения не 107 надхвърлят междуфазните напрежения. Подобен е случаят с ферорезонансни пренапрежения. Шинна система, към която са свързани еднофазни напреженови трансформатори само към две от фазите или е изгорял един от предпазителите ВН на третият трансформатор (такъв е случаят изобразен на фиг. 7-18). фиг. 7-18 На фиг. 7-19 е изобразена заместващата схема. При неблагоприятно съчетание на индуктивността на напреженовите трансформатори с капацитетите спрямо земя на фазите могат да се получат доста високи напрежения. фиг. 7-19 Резонанс между индуктивността на разсейване на силов трансформатор и капацитета на кондензаторни батерии за напречна компенсация (фиг. 7-20). Еквивалентната заместваща схема е показана на фиг. 7-21. 108 фиг. 7-20 фиг. 7-21 В сила са следните зависимости: 2 k X 1 BC , .C CKB QKB .103 , 2 .U H 2 X 1 QKB U % U BH K . 2 100 SH 100.S H 3.U k % 7-34) 7-35) Където X1 е реактанс на разсейване с права последователност; CKB e капацитет с права последователност на кондензаторната батерия. Пренапреженията се намаляват чрез: заземяване на звездните центрове на мрежите за СН през дъгогасителни бобини или чрез малки активни съпротивления. Компромисен вариант е свързаните в отворен триъгълник вторични намотки на напреженовите трансформатори да се товарят с активно съпротивление R∆, което създава активна компонента на тока и подтиска резонанса. R 150LHT , k2 Където к е коефициент на трансформация на напреженовите трансворматори. Върху това съпротивление може да бъде отделена значителна мощност. Резонансни пренапрежения в компенсирани мрежи Те са трайни пренапрежения с промишлена честота, дължащи се на увеличение на напрежението на несиметрия при резонансна настройка на дъгогасителния реактор в компенсираните мрежи. Възникналият в този случай резонанс е паралелен линеен. Най-често се получава когато при нормален режим мрежата е била недокомпенсирана и след аварийна ситуация, свързана с намаляване на еквивалентния капацитет (изключване на някой електропровод), попада в зоната на точната настройка или резонанс на Петерсеновата бобина спрямо еквивалентните 109 капацитивни проводимости. При компенсираните мрежи понякога дъгогасителният реактор, включен в звездния център на намотката ср. н. на трансформатора се заземява заедно със звездния център на намотката в. н. При това условие, поява на земно съединение на страна ВН и точна настройка на дъгогасителния реактор могат да възникнат резонансни пренапрежения, достигащи опасни стойности до (3-4)Uф. В случая се получава последователен резонанс във верига от последователно свързани Lp и 3C0 и генериранато напрежение с нулева последователност във звездния център ВН на трансформатора. Следствие на пренапреженията може да настъпи пробив в изолацията на съоръженията от частта ср. н. Резонанс при непълнофазно включване на електропровод с включен накрая му трансформатор на празен ход Последователен линеен или нелинеен резонанс с честота 50 Hz. Наблюдава се при мрежи за средно и високо напрежение, ако към края на електропровода е включен ненатоварен трансформатор с изолирана неутрала или в мрежи свръх високо напрежение с ненатоварени автотрансформатори, третичните намотки на които са също на празен ход фиг. 7-22. Възниква само при непълнофазни режими, най-често при отказ да включи (или изключи) една от фазите на прекъсвача в началото на електропровода. При условие, че звездният център на трансформатора не е заземен, резонансният контур се образува от индуктивността на намагнитване на трансформатора x1 и капацитета C0 на невключилата фаза към земя. Заместващата схема на процеса е показана на фиг. 7-23 и 7-24. Напреженията в началото на електропровода UB и Uc на включилите фази са еднакви с тези на шинната система (електродвижещите напрежения EB и EC). Напрежението на невключилата фаза UA следствие на възникналият резонанс може значително да превиши номиналната стойност на фазовото напрежение. На фигурата с MAB и MAC са означени взаимните индуктивности между фазите на трансформатора. От тях в невключилата фаза А се индуктира е. д. н., равно на (-EA), понеже в трибедрените трансформатори магнитните потоци от двете бедра се затварят през третото. EC EB EA UC = EC UB = EC UA > EA IC IB IB + IC C0 фиг. 7-22. Резонанс при непълнофазно включване на електропровод с ненатоварен трансформатор на края 110 фиг. 7-23 фиг. 7-24 В Таблица 7-1 е показано къде в електрическите мрежи могат да възникнат резонансни пренапрежения, при какви съчетания на реактивните елементи и техните стойности и класа на напрежение. Таблица 7-1 Индуктивен елемент Индукт ивност на елемен та, H [H] Капацитет необходим Елемент с необходимия за възник- капацитет за възникване на ване на рез., резонанс С [F] Индуктивност на от 10-3 разсейване на силов трансформ. до 10-11 от 10-4 Индуктивност на от 10-1 намагнитване на силов трансформ. до 102 Индуктивност на от 102 намагнитване на до 105 напреженови трансформатори от 10-7 Дъгогасителни реактори за компенсиране на капацитивни токове Реактори за напречно компенсиране до 10-22 до 10-42 1.Кондензаторни подобряване на мощността. 2.Дълги електропроводи. Дълги електропроводи. Клас на напрежени е на мрежата, в което е възможен резонансът батерии за фактора на 1.Ср. Н. ненатоварени 2.СВН. ненатоварени 1.Къси кабелни линии от 10-9 до 10-7 2.Капацитет на намотката внср. н. на силови трансформат. 3.Шини на п/ст на п. х. 4.Кондензатори за изравняване на разпределението на напрежението между полюсите на прекъсвачи Резонансна настройка с капацитета Капацитет на мрежата на мрежата Резонансна настройка с Капацитет на електропровода капацитета на мрежата ВН и СВН. 1.Ср. Н. 2.Ср. Н. 3.Ср. Н. и ВН. 4.ВН и СВН Ср. Н. СВН 111 Самоиндуктивнос т на дълги ЕП - - 1.Кондензатори за надлъжно компенсиране. СВН 2.Капацитет на ЕП. 7.3. Пренапрежения от капацитивен ефект Пренапрежения от капацитивен ефект при електропроводи. Наблюдават се при много дълги ненатоварени електропроводи захранени с променливо напрежение, като резонансът възниква между капацитета и индуктивността на електропровода. Възможен е резонанс от този вид само при електропроводи СВН от 400 кV и повисоки с дължина стотици километри. Аналитично схемата се изследва като електропроводът се разглежда като верига с разпределени параметри. Повишаването в края на електропровод с дължина 300 км може да надхвърли допустимата стойност на 1.1 UФm. Най-висока стойност на резонансно пренапрежение се наблюдава в края на електропровод СВН с дължина 1500 км, това е така понеже дължината му е равна на ¼ от дължината на вълната за 50 Hz. Ограничаване на резонансните пренапрежения се осъществява чрез реактори за напречно компенсиране, поставени в двата края на електропровода или в средата му. 8. Комутационни пренапрежения Наличието на паразити смущения в електричната мрежа от превключването на прекъсвачи, трансформатори, диференциална защита, контактори, двигатели, газоразрядни лампи, индуктивности или рязка промяна на натоварването, води до много бърза промяна на тока (di/dt) и генерира комутационни пренапрежения. Всяко внезапно изменение на параметрите в електричната схема (промяна на конфигурацията), съдържаща индуктивности и капацитети, предизвиква преходен процес, който се описва с опростения израз: = Където: У -( У - н ).е .cos .t 8-1) - стойност на пренапрежението У - установена (крайна) стойност на пренапрежението н - начална стойност на пренапрежението δ= - коефициент на затихване – собствена честота = - максимална стойност на пренапрежението след период = У -( У - н ).е = У -( У - н ).k 8-2) при к=1 112 = 2. У - н 8-3) фиг. 8-1.Колебателен процес в R, L, C верига (На тази графика UСкр. Става UУ, а Uнач става Uн) Реално к = 0,7 ÷ 0,9. Комутационните пренапрежения съдържат по-малко енергия, но възникват почесто. Те са вредни, тъй като се индуктират директно във фазовите проводници. Те са с кратка продължителност, стръмна форма и голяма амплитуда (до няколко kV) на вълната и водят до предварително стареене на електронното оборудване. Пренапреженията от комутация в инсталациите на високо напрежение се отразяват на инсталациите с ниско напрежение, което се дължи най-вече на капацитивното взаимодействие. Тези пренапрежения могат да достигнат стойности по-високи от 15 кV и възникват поради следните причини: прекъсване на линия с високо напрежение на празен ход (напр. с кондензатор); прекъсване на трансформатор на празен ход; повреда към земята (късо съединение към земята) в една мрежа с изолирана неутрала; повтаряща се промяна на тока, поради включване или изключване на голям консуматор, късо съединение, повреда към земята или двойна повреда към земята. 8.1. Пренапрежения при земни и къси съединения Изключване на трифазно късо съединение със земя при система с изолирана неутрала. 113 При възникване на трифазно к.с. със земя по електропровод в близост до шинната система на подстанцията, напреженията на фазите в мястото на к.с. са приблизително равни на нула (фиг. 8-2). Релейната защита ще предизвика изключване на прекъсвача, но контактите му се отварят неедновременно. Първо се изключва една фаза (например фаза А) когато токът премине през нула, след това ще се установи двуфазно к.с. със земя като напрежението на неутралата ще се установи на 50% от това на изключилата се фаза 0,5.ЕА . Напрежението между другите две фази ще е равно на нула =0, a напрежението на изключената фаза спрямо земя у =1,5.ЕА . а) б) в) г) фиг. 8-2.Изключване на к.с. със земя в система с изолирана неутрала Напрежението ще се установи след колебателен процес, при който най-голямото напрежение в т. М (фиг. 8-2а) ще бъде: = 2. у − н = 3. − 0 = 3. 8-4) у Ако приеме, че коефициентът на затихване к = 0,85, = 2,8. . След време 5 ms ще изключат и другите две фази поради естественото преминаване на тока в тях през нула, с което ще се ликвидира повредата. Напреженията на фази B и С спрямо земя ще бъдат по-ниски от тези на фаза А, междуфазните пренапрежения обаче ще бъдат високи, тъй като у = √3. : = 2. у − н = 2. √3. = 3,46. Ако се вземе предвид затихването и, че н = 0, то 8-5) = 3,1 ÷ 3,2. 8.2. Изключване на трансформатор на празен ход Изключването на трансформаторите е нормална оперативна практика, която се извършва последователно първо от едната страна (обикновено от ниската страна) и след това от към високата страна като преди това трансформаторът остава на празен ход. Изключването на втория прекъсвач често води до пренапрежения, които могат да достигнат много високи стойности. Причината за това е следната: Трансформаторът на п.х. се захранва от електричната мрежа, която осигурява намагнетизиращата мощност, свързана с тока на п.х., който е със стойности от 2 до 3 % от номиналния. Големите работни токове и токовете на к.с. се прекъсват при естественото им преминаване през нулевата стойност, докато малки токове (както 114 е в случая) могат да бъдат прекъснати в произволна моментна стойност, включително и при амплитудната. фиг. 8-3Изключване на трансформатор на п.х. В момента на прекъсване на дъгата в прекъсвача, в индуктивността и капацитета на трансформатора е останала енергия: тр. пр. тр. тр. тр. 8-6) В трансформатора се развиват колебания, при което напрежението ще бъде: тр. Където: = + пр. = 8-7) тр. – собствена честота на веригата; тр. тр. пр. , пр. – моментните стойности на напрежението и тока в момента на прекъсването. Ако пренебрегнем загубите на мощност и енергия, най-високата стойност на напрежението ще са получи в момента, когато цялата енергия е съсредоточена в капацитета на трансформатора: тр. пр. тр. = тр. тр. = тр. пр. тр. тр. + 8-8) пр. 8-9) Необходимо е да се отбележи, че индуктивността на трансформатора има значителни стойности – няколко десетки H, докато капацитетът тр. , включващ капацитета на трансформатора и шинната система до прекъсвача е много малък – 10-20 nF. Токът има изцяло индуктивен характер и ако допуснем, че прекъсването му става в момент на преминаване през амплитудната му стойност, то пр. ≈ 0. Тогава: пр. тр. тр. 8-10) Изчислената максимално възможна стойност на пренапреженията при това допускане може да достигне кратност 7. Действителните максимални стойности не надхвърлят 4÷5. Те се ограничават от повторните запалвания на дъгата между 115 полюсите на прекъсвача ` на фиг. 8-4. Това става когато преходното възстановяващо се напрежение превиши стойността на възстановяваща се електрическа якост между полюсите на прекъсвача. Прекъсвачи с по-ниски стойности на възстановяващата се електрична якост, което предзвиква повторни запалвания при по-ниски напрежения ` фиг. 8-4. Развитие на пренапрежението при води до по-ниски пренапрежения в изключване на трансформатор на п.х. и сравнение с прекъсвачи, които имат многократни повторни запалвания. интензивно дъгогасене и при изключване на трансформатори на п.х. предизвикват по-високи пренапрежения. От съществено значение както се вижда от формула 8-10) е големината на тока на п.х. съвременните силови трансформатори се изработват с магнитопроводи от студеновалцована ламарина, при които токът пр. е малък и пренапреженията са по-ниски. Старите трансформатори 110/СрН обаче са с по-високи стойности на тока на п.х., което определя и по високи пренапрежения при изключване. схемата на свързване на трансформатора, както и режима на неутралата не влияят съществено върху големината на пренапреженията. В системите с изолирана неутрала междуфазните напрежения са значително по-високи при изключване на трансформатори на п.х. поради следните причини. Прекъсването на токовете в прекъсвачите винаги е неедновременно. Изключва първа фаза, след изключването на втората фаза в останалите две фази се развиват пренапрежения с еднаква стойност, но с обратна полярност, при което възникват високи междуфазни пренапрежения. За трансформаторите СрН пренапреженията в 50% от случаите не надхвърлят кратности 2,0÷2,5, а такива със стойност 4,0÷4,5 пъти се появяват с вероятност 23%. Въпреки високата си кратност еднократните пренапрежения при изключване на малки индуктивни токове не би трябвало да представляват опасност за изолацията на нови съоръжения. Собствената им честота е няколко kHz за трансформатори ВН/СрН и няколко стотин Hz за трансформатори СВН. Реална опасност може да представлява честото ежедневно изключване на трансформаторите, което повишава вероятността за поява на по-високи пренапрежения от една страна, а от друга честото им въздействие върху изолацията предизвиква зараждане на дефекти, водещи до пробив. Необходимо у да се отбележи, че пренапрежения от такъв тип са характерни и при изключване на асинхронни двигатели (АД) в собствените нужди на електрическите 116 и заводски централи в мрежи 6 kV. Неблагоприятните съотношения от формула 810) възникват при мощност на АД под 250 kW, за които се изисква монтиране на вентилни отводи от страната на присъединението. Особено високи са пренапреженията, ако се наложи двигателят да бъде изключен по време на пусковия процес когато пусковият ток е 8-10 пъти номиналния. Аналогични са и пренапреженията на трансформатори захранващи дъгови пещи, които се явяват при прекъсване на дъгата по време на топене на метала. 9.3 Пренапрежения при двуфазни земни съединения при система с компенсирана неутрала. Този вид пренапрежения се наблюдават, когато еднофазно земно съединение през прекъсваща дъга предизвика пробив в една от другите фази. Тогава става двуфазно к.с. със земя съпроводено с голям ток, което предизвиква изключване от релейната защита. Пример за това е когато подстанцията, в която е поставен гасителен реактор захранва най-много един или два къси електропровода (капацитетът включен към трансформаторът е малък) – фиг. 8-5. фиг. 8-5. Изключване на двойно з.с. в мрежа с компенсирана неутрала. Дъгата предизвикана от токовете и изгасва при преминаването през нулевата стойност. Токовете и са дефазирани на почти 180 един спрямо друг и на 90 спрямо напрежението , което пък от своя страна е дефазирано на 90 от напрежението на реактора . Токът през реактора ще бъде в амплитудната си стойност в момента когато се прекъсват токовете на к.с. В колебателния контур 117 образуван от реактора, трансформатора, капацитета на трансформатора и шинната система ще се развият пренапрежения както в т. 8.2. и тяхната амплитуда ще бъде: = пр . , 8-11) където е токът на реактора в момента на прекъсването който е близък до пр максималната си стойност; е сумата от индуктивностите на реактора и тази от намотката на трансформатора; е сумата от капацитетите на трансформатора и шинната система. Характерно за случая е, че почти се загубва статистическия характер на пренапреженията. В момента на прекъсването токът през реактора пр е близо до амплитудната си стойност, при което се получават високи пренапрежения със стойност: = 0,705. пр. = 0,5. н √2 8-12) н ≈ 0,705. н 8-13) Кратността на пренапреженията е 5÷6. Този вид пренапрежения е добре познат и винаги се избягва поставянето на гасителни реактори в п/ст с един или два извода. Това не изключва опасността, тъй като при неселективно действие на релейната защита и изключване на прекъсвач 2 (фиг. 8-5) ще се развият същите пренапрежения. За избягването на този вид пренапрежения се препоръчва поставянето на вентилни отводи(ВО) свързани непосредствено към гасителния реактор. Пренапреженията при изключване на трансформатор на празен ход и при двойни земни съединения в компенсирани мрежи са характерни с индуктивния си характер. 9.4 Пренапрежения при еднофазно земно съединение в система с изолирана неутрала. Земните съединения са една от най-честите повреди в електрическите мрежи СрН. Съществуват два случая: метално земно съединение и земно съединение през прекъсваща дъга Метално земно съединение има при скъсване на проводник, който се допира в метален стълб на електропровода; допиране на заземен метален обект в проводник от електропровод; счупване на изолатор и др. 118 фиг. 8-6. Земно съединение в система с изолирана неутрала Приема се, че земното съединение (з.с.) става на фаза А в момент, когато напрежение е в отрицателната си максимална стойност , а напрежението на неутралата =0. След бърз преходен процес напрежението на неутралата = , напрежението на другите две фази спрямо земя се повишава до линейното = − = − .sin t+ .sin( t+ψ). Напреженията спрямо земя на фази В и С преди и след з.с. са показани в Таблица 8-1: Таблица 8-1 Преди з.с. След з.с. =0,5. =1,5. =0,5. =1,5. Показаният в таблицата преход се извършва през колебателен преходен процес, като амплитудата на пренапреженията на здравите фази, ако се пренебрегне затихването ще бъде: 0,5. = = 2,5. = 2. у − = 2.1,5. 8-14) н − Ако се вземе предвид затихването, при к=0,85, то = = 2,3. 8-15) На фиг. 8-8 е показано развитието във времето на пренапреженията на здравите фази и на неутралата. Това не е най-високата фиг. 8-7. Развитие на пренапреженията стойност на пренапреженията. Най-високата стойност се достига ако з.с. стане в момент при з.с. в система с изолирана неутрала 119 на преминаване на вектора на напрежението 19 преди амплитудната стойност. Тогава = 2,65. или ако се вземе предвид затихването = 2,4. . Земно съединение през прекъсваща дъга се явява когато токът на з.с. е малък и е през дъга във въздух или най-често в изолацията на кабел. Дъгата угасва, когато токът със собствена честота преминава през нулевата си стойност и се запалва отново след един полупериод на промишлената (50Hz), когато напрежението на повредената фаза достигне амплитудната си стойност. Ако повторните запалвания се повторят многократно се достига до много високи пренапрежения. Аналитично въпросът е изследван от Петерсен. Възможните пренапрежения от многократни повторни запалвания могат да превишат кратност 4,5 ÷5,0 пъти. На практика толкова високи пренапрежения не се появяват, което показва, че описаният механизъм е малко вероятен. дъгата угасва при преминаване през нулева стойност на тока с промишлена честота и се запалва отново, когато напрежението на повредената фаза достигне максималната си стойност. Този механизъм е изследван от Петерс и Слепян. Тъй като повторните запалвания стават всеки полупериод на напрежението с промишлена честота, когато собствените колебания са вече затихнали, получените пренапрежения са ниски и не достигат кратност над 2,5 ÷ 3,0 пъти. дъгата угасва както при преминаване през нулева стойност на тока със собствена честота, така и при преминаване през нулева стойност на тока с промишлена честота. Запалването на дъгата става както преди (което е повероятно) така и при достигане на максималната стойност на напрежението на повредената фаза, така. Пренапреженията при з.с. през прекъсваща се дъга не са опасни за изолацията на нови здрави съоръжения. Поради тяхната значителна продължителност често водят до пробив на изолацията на някоя от здравите фази и получаване на двойни з.с. 9.5 Пренапрежения при изключване на електропроводи на п.х. Условията за възникване на пренапрежения се създават, ако: 1) електропроводът е със значителна дължина (капацитета му е голям); 2) изолацията е много добра (електропроводът е за високо напрежение 110 kV и по-високо); 3)възстановяващата се електрична якост между полюсите на прекъсвача (надлъжната изолация), с който се изключва електропроводът е по-ниска от преходното възстановяващо се напрежение между тях. Идеализиран случай на развитието на пренапрежението е показан на фигурата : Приема се, че угасването на дъгата в прекъсвача става в момента, когато токът минава през нулевата си стойност. Тогава напрежението има амплитудната си стойност ф . С нея остава зареден капацитетът на електропровода. Това ще бъде 120 и напрежението на контакт 2 на прекъсвача. Контакт 1 на прекъсвача е свързан към източника на напрежение и напрежението му е = 8-16) ф Напрежението между контактите на прекъсвача ще бъде: = − ф ф = ф (1 − ) 8-17) и след един полупериод на напрежението с промишлена честота между контактите на прекъсвача ще се появи напрежение: = 2. 8-18) ф Ако в този момент между контактите на прекъсвача се запали дъга, електропроводът трябва да се зареди до напрежение − ф . Презареждането ще стане през преходен процес със собствена честота, като най-голямото напрежение ще има стойност: = 2. у − н = 2. − ф − ф = 3. ф 8-19) Нека дъгата между контактите на прекъсвача угасне при преминаване на тока през нулевата си стойност, електропроводът ще fстане зареден с напрежение 3. ф . Ако между контактите на прекъсвача отново се запали дъга в момент, когато напрежението на електропровода е достигнало най-голямата си стойност − 3. ф , ще се развие нов преходен процес, при който напрежението на електропровода ще ofстигне +5. ф и т.н. фиг. 8-9а. Изключване на въздушен електропровод на п.х. Толкова високи пренапрежения трудно биха се получили тъй като линейната изолацията на ЕП не е идеална и поради активните проводимости, зарядът на ЕП много бързо спада до стойности 0,7 ÷ 0,8. ф и тогава първото пренапрежение ще бъде 2,1 ÷ 2,4. ф . Аналогично при второто повторно запалване пренапрежението ще бъде 3,7 ÷ 4,1. ф , а не 5. ф . Освен това, с малка вероятност повторните запалвания стават в момент на преминаване на 121 напрежението през амплитудната му стойност, а по-рано. Така описаните повторни запалвания са по-вероятни при маломаслените прекъсвачи. При съвременните въздухоструйни и елегазови прекъсвачи повторните запалвания са почти изключени. Свързването на напреженовите измервателни трансформатори от страната на ЕП (от двете страни на ЕП) или вентилни отводи изключва описания по-горе механизъм на възникване на пренапрежения при изключване на ЕП на п.х. Фиг.8-9б. Развитие на токовете и напреженията при изключване на ЕП на п.х. 9.6 Пренапрежения при изключване на кондензаторни батерии В подстанциите СрН, както и в заводските подстанции често са монтирани трифазни кондензаторни батерии (КБ) за компенсиране на използваната реактивна енергия. Свързват се в триъгълник или в повечето случаи в звезда с изолирана неутрала. Комутирането им става с прекъсвачи (контактори) за СрН. При включване на КБ се появяват относително ниски пренапрежения до 2. ф . Изключването на КБ обаче е свързано с възникване на по-горе описания процес и съпроводените с това повторни запалвания на комутиращото устройство. Характерно за този случай е, че капацитетът е голям и собствената честота на колебателният процес е ниска – няколкостотин Hz, шинната система обикновено е къса, т.е. затихването е слабо. Ако в комутиращия апарат възникнат еднократни повторни запалвания при изключване на КБ възникват пренапрежения с кратност до 3 − 3,5. ф , а при двукратни - 4 − 5. ф . Пренапреженията могат да предизвикат пробиви в изолацията на други съоръжения. Това трябва да се има предвид при избор на комутационна апаратура, която да не допуска повторни запалвания. 122 9. Атмосферни пренапрежения 9.1. Параметри на мълния. Видове мълнии. Мълниеносните облаци се наелектризират под действието на възходящите въздушни течения, които отнасят положителните електрически заряди в горната част на облака. Отрицателните заряди остават в долната му част, която е на височина 1-2 km над земята. Когато напрегнатостта на полето в долната част на облака надвиши една критична стойност (около 300 kV/m), там започва самостоятелен разряд. От облака към земята се разпространява със скорост 5.10 7 m/s (около 0,15 с) т. нар. стример. Дължината на стримера достига няколко десетки метри, след което разпространението му се преустановява за един кратък интервал — няколко десетки микросекунди. През това време стримерът силно се йонизира — попълва се с електрически заряди от облака. След като напрегнатостта на по-лето в долната част на стримера отново превиши критичната, оттам започва да се разпространява втори стример. Параметрите му (дължина, скорост на разпространение, пауза на застой) са от същия порядък, както при първия. Това и по-нататък се повтаря, така че разрядът на мълния се трасира от т. нар. лидер-пилот, който е следван от периодично възникващи стримерни стъпала, оформящи т. нар. стъпаловиден лидер. Средната скорост на разпространение на стъпаловидния лидер е 0,5. 10 . . Лидерът е носител на огромни потенциали, достигащи до 50 MV. Когато главата му наближи най-близкия обект от земната повърхност, така че напрегнатостта на полето там да достигне стойност около 500 kV/m, от обекта към лидера започва да се разпространява насрещен стример. Това определя кой обект от земната повърхност именно ще бъде ударен от мълнията. Разстоянието от земята, до което е достигнала главата на стримера до този момент, е т. нар. височина на ориентиране - тя в зависимост от потенциала на лидерния канал е от 50 до 200 метра. След като насрещният стример достигне лидера, започва т. нар. главно изпразване — с огромна скорост, достигаща до 0,5 с, зарядът от лидерния канал се оттича в земята. Обикновено след първото изпразване по същия канал възникват няколко последващи разряда, които неутрализират зарядите от други части на облака. Общо явлението може да продължи дори секунда, през което време възникват няколко поредни изпразвания с токове десетки килоампери. Изпразванията, всяко от които е с продължителност стотина микросекунди, са разделени от безтокови паузи, траещи десетки милисекунди (фиг. 9-1). фиг. 9-1. Осцилограма 1 на мълния с няколко Така възникват т. нар. низходящи мълнии , с последователни отрицателна полярност на тока. Те преобладават разряда [71] 1 Наречени са така, понеже лидерът им се разпространява от облака към земята. При възходящите мълнии, напротив, лидерът се разпространява от някой висок обект от земната повърхност към облака. 123 около 80% от всички са низходящи мълнии, а останалите 20% са с положителна полярност. Първият разряд на отрицателните низходящи мълнии се характеризира с : поголеми амплитудни стойности на тока и с по-голямо времетраене на фронта на вълната (фиг. 9-2. а). Последващите разряди са с по-малки амплитудни стойности на тока, но с по-голяма стръмнина на вълната (фиг. 9-2 б). Положителните низходящи мълнии са винаги само еднократни и имат голяма продължителност – няколко ms (фиг. 93. а). Понякога токът им може да е много голям - 200÷300 кА. Това са т. нар. гигантски мълнии (фиг. 9-3.б). Възходящи мълнии възникват само от обекти, високи стотици метри. Характеризират се с продължително протичащ ток от няколко стотин фиг. 9-2. Осцилограми на ампера върху който са насложени токови отрицателна низходяща мълния импулси от няколко kA. Не са опасни за в два различни мащаба на съоръженията от електроенергийните времето [94]. а — първи разряд; системи. Не са от значение за последните б —втори разряд и т. нар. кълбовидни мълнии, които са много рядко явление. 9.2. Характеристики на мълниеносната дейност. Интензивност на мълниеносната дейност. Интензивността на гръмотевичната дейност на дадено географско място обикновено се оценява с броя на дните в годината, през които е чут поне един гръм 1 - това е т. нар. брой на гръмотевичните дни д . Той зависи от редица фактори, например от фиг. 9-3. Осцилограма на физикогеографски положителна низходяща географската широчина — варира от 0 за зоните мълния (а) и (б) гигантска около полюсите до 120 за някои екваториални мълния [94] области. Даже в рамките на малки по площ страни броят на гръмотевичните дни много се променя от локалните физикогеографски особености на местността — така у нас той варира от 4÷5 в някои крайбрежни райони от Северна България до 40 в някои области от Родопите. Средно за страната е около 25. Броят на гръмотевичните дни отразява непълно интензивността на гръмотевичната дейност, понеже не отчита продължителността на 1 За мълниеносни се броят и дните, през които не е била наблюдавана визуално мълния, а е бил чут само гръм. 124 гръмотевичните бури. По-представителен е броят на гръмотевичните часове в годината ч . Средно може да бъде прието, че един гръмотевичен ден има два гръмотевични часа. 9.3. Характеристики на тока на мълнията Параметри на тока на мълнията. Едни от най-представителните измервания на параметрите на тока на мълнията са проведени от Бергер в Швейцария през годините 1947÷1972 посредством осцилографиране на токовете при удари на мълния върху нарочно построена приемаща мачта. Резултатите от тези измервания (фиг. 9-4 до 9-9) третират само низходящите мълнии и са систематизирани за мълниите с отрицателна полярност поотделно за първия разряд - криви 1, и за последващите разряди - криви 2, а така също и за положителните мълнии - криви 3 (положителните низходящи мълнии са винаги еднократни). На ординатните оси на фиг. 9-4 – 9-6. е дадена вероятността в проценти стойността на съответния параметър на тока на мълнията да превиши значението, показано на абсцисата. Фиг. 9-4. дава амплитудните значения м , фиг. 9-5. - времетраенето на фронта на вълната на тока на мълнията ф , фиг. 9-6. - максималната й стръмнина , фиг. 9-7 времетраенето на вълната в 1. Правите линии от фигурите са интерполиращи теоретизирани зависимости, а начупените са резултатите от измерванията. Не е установено наличието на статистична зависимост между амплитудата и стръмнината на тока на мълнията. Амплитудните стойности на тока на мълнията са измервани, макар и погрубо, чрез феромагнитни регистратори, поставяни по мълниеотводите на фабрични комини, в много други страни [98,99,123], включително и у нас[37]. Резултатите от тези измервания не са диференцирани по видове мълнии - те са сумарни за всички мълнии 2. Тези измервания добре се съгласуват със сумарните резултати на Бергер за всички спускащи се мълнии от двете полярности. Съществуват и формули за пресмятане на вероятностното разпределение на параметрите на тока на мълнията. Найновите от тях са[78]: = 0,666 − =− , 9-1) 9-2) Където: 1 Под времетраене на вълната на тока на мълнията се разбира времето, за което токът спада до половината от амплитудното си значение. 2 Изглежда са регистрирани само спускащите се мълнии, понеже изкачващите се мълнии са характерни само за много високите обекти. 125 P 1 e вероятността, токът на мълнията да превиши стойността I, kA P a e вероятността, максималната стръмнина на тока на мълнията да превиши ⁄ . стойността а, фиг. 9-4. Вероятност в % токът на мълнията да е с амплитуда, поголяма от тази, показана на абсцисата, 1 - отрицателни низходящи мълнии, първи разряд; 2-отрицателни низходящи мълнии, последващи разряди; 3 положителни низходящи мълнии фиг. 9-7. Вероятност в % токът на мълнията да е с максимална стръмнина, по-голяма от тази, показана на абсцисата; 1, 2, 3 — както на фиг. 9-4. фиг. 9-5. Вероятност в % токът на мълнията да е с времетраене на фронта, по-голямо от показаното на абсцисата; 1, 2, 3 — както на фиг. 9-4. фиг. 9-6. Вероятност в % вълната на тока на мълнията да е с времетраене, по-голямо от това, показано на абсцисата; 1, 2, 3— както на фиг. 9-4. 126 На фиг. 9-8. и 9-9. са съпоставени амплитудните стойности и максималните стръмнини на вълната на тока на мълнията: криви 1 - според Бергер за първите разряди на всички низходящи мълнии, криви 2 - според обобщените резултати от измервания по фабрични комини в редица страни [123], и криви 3 — изчислени по емпирични зависимости. При токове над 15 кА и при ⁄ , с каквито параметри са преобладаващият брой стръмнини до 20 мълнии, съвпадението между изчислените и измерените вероятностни разпределения е задоволително. фиг. 9-8. Вероятност в % токът на мълнията да е с амплитуда, по-голяма от тази, показана на абсцисата; 1 – по Бергер, положителни и отрицателни низходящи мълнии, първо изпразване; 2 – измерени с феромагнитни регистратори; 3 – изчислени по (2.1) Смята се, че вълновото съпротивление на канала на мълнията е много голямо - около 3000 , така че големината на тока на мълнията не зависи от съпротивлението на заземяване на ударения обект. Има и други мнения, че това съпротивление е около 1000 , а дори и по-малко. фиг. 9-9. Вероятност в % токът на мълнията да е с максимална стръмнина, по-голяма от показаната на абсцисата;1, 3—както на фиг. 9-8. 9.4. Мълниезащита от директни попадения на мълния Действието на мълниезащитата се основава на способността за ориентиране на стъпаловидния лидер. Пътят на първите стъпала на лидера се определя от местното ел. поле и не се влияе съществено от обектите на земята, ако не са много високи. С приближаване на стъпаловидния лидер към земята, земните обекти са в състояние да го отклонят и привлекат към себе си. Височината над земята, от която това е 127 възможно се нарича височина на ориентиране – . Ако = . , защитната зона на единичен мълниеприемник ще бъде криволинеен конус с образувателна – част от окръжност. По своето конструктивно изпълнение мълниеприемниците биват отвесни мачти, поставени над и близо до защитавания обект; хоризонтални проводници, опънати над защитавания обект; мрежа от проводници с определен размер на клетката, поставена непосредствено над обекта и свързана с конструкцията му. Първите два вида се характеризират със защитната си зона и височината на ориентиране на мълнията. Защитната зона ще бъде разгледана за случая на вертикалните мълниеприемници. Определените пространствени размери на зоните се отнасят и за хоризонталните в равнина, която пресича перпендикулярно отвесната равнина през хоризонталния мълниеприемник, и равнината на земната повърхност. За всяко ниво на мълниезащита са определени максимални и минимални стойности на параметрите на тока на мълния. При проектирането на мълниезащитни уредби по нива на мълниезащита се прилагат следните нива на мълниезащита съобразно ефективността на мълниезащитните уредби: 1. ниво на мълниезащита І (ниво І) - при ефективност на мълниезащитната уредба над 0,98; 2. ниво на мълниезащита ІІ (ниво ІІ) - при ефективност на мълниезащитната уредба над 0,95 до 0,98; 3. ниво на мълниезащита ІІІ (ниво ІІІ) - при ефективност на мълниезащитната уредба над 0,80 до 0,95; 4. ниво на мълниезащита ІV (ниво ІV) - при ефективност на мълниезащитната уредба до 0,80. При проектирането на мълниезащитни уредби с конвенционални мълниеприемници по категория на мълниезащита мълниезащитните зони се класифицират съобразно вероятността на защитата, която осигуряват, както следва: 1. мълниезащитна зона тип А, за която вероятността да осигури защитата е 99,5 на сто и повече; 2. мълниезащитна зона тип Б, за която вероятността да осигури защитата е 95 на сто и повече. Мълниезащитната зона на вертикалния мълниеотвод с височина до 150 м съгласно НАРЕДБА № 4 от 22 декември 2010 г. за мълниезащитата на сгради, външни съоръжения и открити пространства представлява кръгов конус съгласно фиг. 9-10 мълниезащитна зона тип А се описва с радиус определен от уравнението: = (1,1 − 0,002. ℎ). ℎ − , 9-3) h е височината на мълниеотвода; h0 = 0,85 h - височината на мълниезащитния конус; 128 r0 = (1,1 - 0,002h) . h - радиусът на мълниезащитния конус на нивото на терена; r x - радиусът на мълниезащитния конус на височина hx фиг. 9-10. Защитната зона на вертикалeн мълниеприемник Размерите на мълниезащитна зона тип Б в m за единичен прътов мълниеотвод се определят по формулите: h0 = 0,92 h; r0 = 1,5 h = 1,5. ℎ − , 9-4) Когато са известни размерите на защитавания обект, височината на необходимия единичен прътов мълниеотвод за осигуряване на мълниезащитна зона тип Б се определя по формулата: ℎ= , . , 9-5) Мълниезащитната зона на два прътови мълниеотвода с равни височини до 150 m се определя съгласно фиг. 9-10. Външните области на мълниезащитната зона се определят по 9-4 както за единичен прътов мълниеотвод. Размерите на мълниезащитна зона тип А за два прътови мълниеотвода се определят по формулите: при L h hc = h0; rcx = rx; rc = r0; 9-6) при L h hc = h0 - (0,17 + 3.10-4h).(L - h); rcx = r0.( hc- hx)/ hc 9-7) Размерите на мълниезащитна зона тип Б за два прътови мълниеотвода се определят по формулите: при L 1,5 h hc = h0; rcx = rx; rc = r0 9-8) при L 1,5 h hc = h0 - 0,14 (L - 1,5h); rcx = r0.( hc- hx)/ hc; rc = r0 9-9) 129 Когато са известни разстоянието между мълниеотводите и най-малката височина на мълниезащитната зона, необходимата височина на мълниеотводите за осигуряване на мълниезащитна зона тип Б се определя по формулата: h=(hc+0,14.L)/1,13 9-10) фиг. 9-11. Мълниезащитна зона на два прътови мълниеотвода с равни височини до 150 m L е разстоянието между мълниеотводите; h - височината на мълниеотводите; h0 - височината на мълниезащитните конуси; r0 - радиусът на мълниезащитните конуси на нивото на терена; rx1 - радиусът на мълниезащитния конус на височина hx1; rx2 - радиусът на мълниезащитния конус на височина hx2; hc - минималната височина на мълниезащитната зона; rc - размерът на мълниезащитната зона на нивото на терена, съответстващ на hc; rcx - размерът на мълниезащитната зона на височина hx. Заземители Заземителите за мълниезащита се проектират при спазване на общите изисквания за проектиране на заземители, като се спазват и следните допълнителни изисквания: - заземителните електроди да са насочени извън сградите; - да се избягват заземители от един електрод с твърде голяма хоризонтална или вертикална дължина; - единичен вертикален дълбочинен електрод да се използва, когато специфичното съпротивление на почвата на повърхността е изключително високо и когато околните условия налагат това, например в гъсто застроени градски райони; 130 - електродите, съставящи заземителите, се разполагат на достатъчни разстояния от подземни съоръжения. Видът на заземителите се определя в зависимост от специфичното съпротивление на почвата и нормираната стойност на съпротивлението на заземителя. Типови решения на заземители за мълниезащита са показани на фиг. 9-12. фиг. 9-12. Типови решения на заземители Т е мълниеотвод (токоотвод); К - контур в основата на сградата; З - заземител за мълниезащитата. За защита при преки попадения на мълния се проектират заземители с коефициент на импулса 1. Този коефициент зависи от тока на мълнията, от специфичното съпротивление на почвата и от конструкцията на заземителя. Граничните дължини на хоризонтални заземители, гарантиращи 1, в зависимост от различни специфични съпротивления на почвата са съгласно табл. 9-1. Таблица 9-1 Специфично съпротивление на почвата, m Гранична дължина, m До 500 500 1000 2000 4000 25 35 50 80 100 Стойностите на коефициента на импулса за вертикални и комбинирани заземители в зависимост от специфичното съпротивление на почвата са съгласно табл. 9-2. Таблица 9-2 Специфично съпротивление на почвата, m До 100 100 500 1000 2000 Коефициент на импулса за вертикални заземители 0,9 0,9 0,7 0,5 0,35 Коефициент на импулса за комбинирани заземители 0,9 0,7 0,5 0,3 131 Съпротивлението за електрически ток с честота 50 Hz може да се изчисли въз основа на нормираното импулсно съпротивление по формулата: R50 = Rимп./ 9-11) Заземителите се проектират по един от следните начини: - вертикални - от стоманени пръти, профили или тръби, разположени вертикално, като горният им край е на дълбочина от 0,6 до 0,8 m под повърхността на терена и дълбочината при набиване е най-малко 2,5 m, а при навиване или наставяне - най-малко 4,5 m; - хоризонтални - от електроди от кръгла или плоска стомана, разположени хоризонтално на дълбочина от 0,6 до 0,8 m под повърхността на терена, с един или няколко лъча, излизащи от една точка, към която се присъединява токоотводът; тези заземители може да се използват самостоятелно или за свързване на електродите на вертикални заземители помежду им; - комбинирани - от вертикални и хоризонтални заземители, обединени в обща система; токоотводите се свързват в средата на хоризонталната част на комбинирания заземител. 9.5. Изключвания от мълнии. Вълни на напрежение, постъпващи в подстанциите 9.5.1. Индуктирани пренапрежения Падналите близо до електропроводите мълнии индуктират напрежения в проводниците по магнитен и по капацитивен път. Капацитивната съставяща Ue на индуктираните пренапрежения възниква по следния начин: когато каналът на мълнията доближи земята, той индуктира в проводниците заряди с противоположната полярност - при отрицателни мълнии те са положителни. Тези заряди са свързани чрез електростатичната индукция със заряда на лидерния канал. В проводниците се освобождават точно толкова заряди с обратната полярност, в случая отрицателна. Свободните заряди се оттичат в двете посоки на електропровода и през заземяванията на трансформаторите в подстанциите отиват в земята. Процесът се развива сравнително бавно, понеже скоростта на разпространение на лидера е малка по отношение на скоростта на светлината. Поради това свободните заряди се оттичат на малки „порции" и не пораждат забележими пренапрежения. Последващият главен разряд, обаче става хиляди пъти по-бързо. Зарядът на лидерния канал тогава се неутрализира, а положителните заряди в проводниците, свързани дотогава с него, се освобождават отведнъж. Те се оттичат в двете посоки на електропровода като бягащи вълни. Магнитната съставяща U м на индуктираните пренапрежения е свързана с вихровото електрично поле, възбудено от магнитното поле на тока на А Eм , t мълнията. Напрегнатостта на електричното поле е: 132 където A е вектор-потенциалът на магнитното поле на тока на мълнията. А При отрицателни мълнии векторът t във фронта на вълната е насочен E нагоре, а векторът м —вертикално надолу. Ето защо магнитната съставяща на индуктираните в проводниците пренапрежения U м Eм .dl R 9-12) А е положителна. Магнитната съставяща на индуктираните пренапрежения за разлика от капацитивната не поражда бягащи по проводниците вълни, понеже напрегнатостта на възбуденото от нея електрично поле няма хоризонтална компонента. Отдалечавайки се от мястото на удара на мълнията тя бързо спада до нула. Във всяка точка от електропровода общото индуктирано пренапрежение е сума от капацитивната и магнитната съставяща. Uинд Ue Uм На абсцисната ос на фиг. 9-10 е показан броят на случаите в годината (при n д =20), за които за 100 km електропроводи ще възникнат индуктирани пренапрежения със стойност, по-голяма от нанесената на ординатата. Индуктираните пренапрежения не са опасни за електропроводите за високо напрежение1 - те могат да породят пробиви и изключвания само по електропроводите за средно напрежение. Индуктираните пренапрежения са приблизително еднакви в трите фази на електропровода и са преобладаващо с положителна полярност. фиг. 9-13. Брой на индуктираните пренапрежения на 100 km електропровод за ср. н. за 1 година, с амплитуда, по-голяма от тази, показана на ординатата, при 20 гръмотевични дни 1 Импулсното изолационно ниво на електропроводите за 110 kV е 550÷600 kV, което е по-високо от индуктираните пренапрежения. 133 9.5.2. Директни попадения на мълнии Мълниите, паднали върху стълба, също индуктират пренапрежения в проводниците. Капацитивната им съставяща може да бъде пресметната по [54]: = . ℎ kV 9-13) където а е максималната стръмнина на вълната на тока на мълнията, h — разчетната височина на проводника над земята, m ⁄ ; Магнитната съставяща на индуктираните пренапрежения е = . kV 9-14) Числената стойност на М в (9-5) при ориентировъчни пресмятания може да бъде определена по = 0,2. ℎст (6,15 − ст ) 9-15) Където ℎст е височината на окачване на проводника при стълба, m; ст — височината на стълба, m. Във фронта на вълната индуктираните в проводниците пренапрежения са с обратна полярност на потенциала на стълба и спомагат т. нар. обратен пробив на изолацията на стълба да стане при мълнии с по-малки токове. Те трябва да бъдат вземани пред вид и при електропроводите за високи и свръхвисоки напрежения. При удар на мълния върху стълба по мълниезащитните въжета се разпространяват вълни с напрежение, равно на това на върха на стълба U СТ . Тези вълни индуктират във фазовите проводници напрежения със същата полярност, пропорционално на коефициента на връзката инд Където: = вр вр . = 9-16) ст се нарича геометричен коефициент на връзката между i- тия и k-тия приводник. Индуктираните напрежения в проводниците от вълните по мълниезащитните въжета намаляват напрежението върху изолацията на стълба пропорционално на коефициента (1 – k вр ). 9.5.3. Изключвания на електропроводи без мълниезащитни въжета Такива са всички електропроводи за напрежение 20 kV, а така също и някои електропроводи за напрежение 110 и 220 kV в райони със слаба мълниеносна дейност1. 1 Във Франция и някои други страни всички електропроводи за напрежение до 220 kV са без мълниезащитни въжета. 134 Електропроводите за високо напрежение са в мрежи с ефективно заземен звезден център — там всяко еднофазно земно съединение е късо съединение и може да стане причина електропроводът да изключи. Смята се, че върху проводниците падат всички мълнии, които биха паднали на земята на разстояние 3.h от двете им страни. Поради това броят на ударите на мълния върху 100 km електропровод за една година е = 6. ℎ. 10 . 6,7. = 4. ℎ. ч . 10 9-17) Токът на мълнията, паднала върху проводника, се разделя на две и поражда вълни, разпространяващи се в двете му посоки (фиг. 9-11). Напреженията на вълните са = −0,5. . 9-18) Ако те са по-големи от 50%-то импулсно разрядно напрежение с отрицателна ( ) полярност % на изолацията на стълба, ще настъпи разряд, щом вълната достигне този стълб. Това става ако токът на мълнията е по-голям от ≥ . ( ) % 9-19) Не всички разряди прерастват в трайни земни съединения, понеже някои от тях самоизгасват. Ето защо специфичният брой из. на изключванията на електропровода от мълнии е 1 9-20) из. = . . ( ) Където: p(I) е вероятността, амплитудата на тока на мълнията да превиши стойността му по (9-8). Тя е близка до 1 (фиг. 9-11); - вероятността, импулсният пробив от мълнията да прерасне в трайно земно съединение, подхранвано от напрежението на системата. Приема се = 0,85. фиг. 9-14. Възникване на бягащи вълни при удар на мълния върху фазовия проводник на електропровод без мълниезащитни въжета Специфичният брой на изключванията на електропроводи за 110 kV без мълниезащитни въжета е много голям —пресметнат по (9-10) за п ч =50 часа, ( ) h = 10 m и , той е 17. Ето защо обикновено се препоръчва в % = 650 райони със слаба мълниеносна дейност, електропроводите за ВН да се строят без мълниезащитни въжета само. Електропроводите за средно напрежение са предимно в системи с неефективно заземен звезден център. В компенсираните ел. мрежи при добра 1 За 100 km електропровод за една година. 135 настройка на реактора, електричната дъга в мястото на з.с. при еднофазните земни съединения самоизгасва. Електропроводът ще изключи, ако на стълба стане поне двуфазно земно съединение. След като по ударената от мълнията фаза стане разряд по повърхността, токът на мълнията протича през стълба в земята (фиг. 9-12). При отрицателни мълнии напрежението на стълба тогава е СТ Където =− З. М = −0,5. З. М 9-21) е импулсното съпротивление на заземяване на стълба,. З След разряда, поразеният от мълнията проводник ще има същото напрежение. Той ще индуктира в незасегнатите проводници напрежения със същата полярност пр = вр . ст , където вр е коефициентът на връзката между фазовите проводници. Ето защо напрежението върху изолацията на незасегнатите проводници към стълба Δ из ще е разликата от напрежението на проводника и това на стълба фиг. 9-15 Δ из = пр − ст =− ст 1− вр = 0,5. . з 1− вр Ако това напрежение превиши 50%-то импулсно разрядно напрежение на ( ) изолацията1 % , ще настъпи разряд и разрядът от еднофазен ще прерасне в двуфазен или трифазен. Това ще се случи, ако токът на мълнията е бил с амлитуда, по-голяма от ≥ ( ) % , . з вр 9-22) Броят на изключванията от паднали по електропровода мълнии е из.уд. = . . ( ) 9-23) където р (I ) е вероятността амплитудата на тока на мълнията да превиши стойността по (9-13). Голяма част от изключванията на електропроводите за средно напрежение се пораждат от индуктираните пренапрежения. Броят на тези изключвания ( ) N из.инд. може да бъде намерен от фиг. 9-10 в зависимост от % . Общият специфичен брой на изключванията на електропровода от мълнии е 9-24) из. = из.уд. + из.инд. 1 С положителна полярност, понеже при отрицателни мълнии потен¬циалът на незасегнатия проводник е положителен спрямо този на стълба. 136 броя/100 km за 1 год. За електропроводите 20 kV специфичният брой на изключванията от паднали по проводниците мълнии, пресметнат по (9-14) ( ) при n ч =50 часа; ; з = 20 Ω и h=8 m, е 7,5 (на 100 km % = 160 електропроводи за 1 година). Изключванията от индуктирани пренапрежения са около 8, така че специфичният брой на изключванията от мълнии е 15. Според осреднени данни от аварийната статистика у нас той е около 20. 9.5.4. Изключвания от мълнии на електропроводи с мълниезащитни въжета Това са електропроводите за високи и свръхвисоки напрежения. Изключванията от мълнии при тях са от обратни пробиви при удар на мълния върху стълба (или върху мълниезащитното въже близко до стълба) и от проврели се мълнии. Когато мълнията удари стълба, през него ще протече ток ст = . , помалък от тока на мълнията , понеже част от последния протича през мълниезащитните въжета към съседните стълбове (фиг. 9-13). За фронта на вълната може ориентировъчно да бъде прието = 0,9 при електропроводи с едно мълниезащитно въже и = 0,8 при електропроводи с две мълниезащитни въжета. Потенциалът на върха на стълба е ст = з ст + ст ст а максималната му стойност е в максимума на тока на мълнията и (при отрицателни мълнии) е ст = −( з . . + ст . ) 9-25) В (9-16) индуктивността на стълба Където г ст се пресмята от ст = 0,6. г, , е височината на окачване на изолаторната верига при стълба, m. От канала на мълнията във фазовите проводници се индуктират напрежения инд = .ℎ+ . , 9-26) където М е по (9-6). Напрежението върху линейната изолация (изолаторната верига) е Δ = инд − ст . 1 − вр като е най-голямо във фронта на вълната, близо до максимума й. Разрядното напрежение на линейната фиг. 9-16 изолация е с около 10% по-високо от 50%-то й импулсно разрядно напрежение и следователно ще настъпи разряд, ако токът на мълнията е бил по-голям от ≥ , . . з ( ) % вр − (0,6. Г +ℎ+ ) 9-27) 137 Броят на изключванията от мълнии върху стълбовете на електропровода е = из.ст ст . . ( ) 9-28) където р(I) е вероятността токът на мълнията да е с амплитуда, по-голяма от тази по (9-18). За ориентировъчни пресмятания а в (9-18) може да бъде заменена със средната стойност на максималните стръмнини на тока на мълнията, която е 13 kV/µs (вж. фиг. 9-9); − мълниите, паднали върху стълбовете на електропровода (или върху мълниезащитните въжета близко до стълбовете). Приема се обикновено ст ст Където = . ст 9-29 е дължината на междустълбието, m; N — пресметнато по (9-8) с разчетната височина на окачване на мълниезащитното въже. Изключванията от мълнии, паднали върху мълниезащитното въже в средата на междустълбието, са много по-малко от предните, понеже там токът на мълнията се разделя на две - в двете посоки на въжето. През изолацията на стълба може да стане разряд само, ако токът на мълнията е бил двукратно по-голям от този изчислен по (9-18), вероятността за което е много малка. Проврелите се през мълниезащитните въжета мълнии падат направо върху фазовите проводници и обикновено предизвикват изключване на електропровода. Вероятността за провиране на мълнията може да бъде оценена по [12]: ( )= . ст − 3,95 9-30) Броят на проврелите се мълнии е пр = . ( ) 9-31 където е мълниезащитният ъгъл при стълба в градуси. Това е ъгълът между правата, съединяваща следите на въжето и на най-отдалечения фазов проводник и вертикалата. Ако токът на мълнията е бил по-голям от ≥ . . ( ) % вр 9-32) през линейната изолацията на стълба ще стане разряд. Броят на изключванията на електропровода от проврели се мълнии следователно е из.пр = . . ( ). ( ) 9-33) където р (I) е вероятността токът на мълнията да е по-голям от този по (9-23); 138 в (9-23) е коефициентът на връзката между фазовия проводник и мълниезащитното въже (или въжета). вр Специфичният брой на изключванията от мълнии (за 100 km електропровод за една година) е из. = из.ст + 9-34) из.пр На фиг. 9-14 са показани специфичния брой изключвания за някои типове електропроводи пресметнати с компютърни модели при п ч =100 часа във функция от импулсното съпротивление на заземяване на стълбовете R3. Характерните параметри на електропроводите, за които са направени изчисленията, са дадени в Таблица 9-1. За електропроводите с две тройки на фиг. 9- 1 4 е нанесен специфичният брой на изключвания от мълнии поне на едната от тях. Трудно е да бъде пресметнат броят на едновременните изключвания на двете тройки. Според данни от експлоатацията той при електропроводите за 1 1 0 kV е 30÷60% от броя на изключванията поне на една от тройките, а при електропроводите за фиг. 9-17. Специфичен брой на изключванията от мълнии на 400 k V- 5÷20%. електропроводи с мълниезащитни въжета в зависимост от съпротивлението на заземяване на стълбовете Изключванията от мълнии на електропроводите за 1 1 0 и 220 kV са предимно от обратни пробиви вследствие на мълнии, паднали върху стълбовете или мълниезащитните въжета близо до стълбовете. Електропроводите за 750 kV обаче имат твърде високо изолационно ниво, обратните пробиви при тях са възможни при токове над 100÷150 кА, които са малко вероятни. При тях преобладават разрядите от проврели се мълнии. Само ако съпротивлението на заземяване на стълбовете е голямо — над 30 , биха доминирали изключванията от обратни разряди. № на кривата от фиг. 9-14 Номинално напрежение, kV Брой на тройките Разположение на фазите Височина на стълба, m Мълниезащитен ъгъл, Таблица 9-3 1 2 110 110 1 1 триъгълник триъгълник 25 25 без МВ 30 ( ) %, kV 600 600 139 3 4 5 6 7 110 220 400 400 750 2 1 1 2 1 бъчва хоризонтално хоризонтално бъчва хоризонтално 31 27 30 43 38 20 28 22 25 20 600 1100 1600 1600 2800 Мълниезащитните въжета намаляват десетократно изключванията от мълнии на електропроводите за високо напрежение и стократно на електропроводите за свръхвисоки напрежения. При електропроводите за 20 kV обаче, които са с ниско изолационно ниво, почти всички паднали върху мълниезащитните въжетата мълнии биха довели до обратни разряди - това е причината мълниезащитните въжета по тези електропроводи да не се поставят. Мълниезащитните въжета не са целесъобразни също за електропроводи за високи напрежения в участъци с големи специфични съпротивления на почвата (където R з > 100 ), а също така и в райони със слаба мълниеносна дейност (под 15÷20 часа годишно). Пример за изчисляване на броя на изключванията на електропровод с мълниезащитно въже. Данните са номинално напрежение на електропровода , 50%-но импулсно разрядно напрежение с положителна н = 110 ( ) ( ) полярност с отрицателна полярност , % = 600 , % = 650 мълниезащитен ъгъл = 30 ; коефициент на връзката между въжето и фазовите проводници вр. = 0,25; импулсно съпротивление на заземяване на стълбовете з = 10Ω; вълнови съпротивления на проводниците Z=400 ; височина на стълба H ст =23,5 m, височина на окачване на гирляндата при стълба H Г =23,5 m, височина на окачване на проводника при стълба h ст =20 m; провес на проводниците и въжетата g=1 4 m; междустълбие l м =300 m; брой на гръмотевичните дни д = 25 ( ч = 50 часа). Разчетната височина на окачване на мълниезащитното въже е ℎ = ст − = 23,5 − . 14 ≈ 14 m, а на фазовия проводник ℎ = ℎст − = 20 − . 14 ≈ 10,5 m Броят на ударите на мълния по електропровода на 100 km за една година по (9-8) е = 4. ℎ . 10 . ч = 0,04. ℎ . ч = 0,04.14.50 = 28 от които по стълбовете по (9-20) са 4. ст 4.23,5 = . 28 = 8,8 ст = 300 Числената стойност на M от (9-6) е = 0,2. ℎст (6,15 − ln ст ) = 0,2.20. (6,15 − 2,3. log 23,5) = 12 140 Обратен разряд на изолацията на стълба ще стане при токове на мълния (формула 9-18) 1 ≥ . ( ) % 1,1. з 1− = − (0,6. Г вр +ℎ+ ) = 1 1,1.600 − 13. (0,6.21 + 10,5 + 12) = 47 0,9.10 (1 − 0,25) Вероятността, за което е (фиг. 9-8) р (I)=0,28. Броят на изключванията на електропровода от удари на мълния върху стълбовете е (формула 9-19) из.ст = ст . . ( ) = 8,8.0,85.0,28 = 2,1 Вероятността за провиране на мълния по (9-21) е log p HСТ 75 3,95 30 23,5 3,95 2; 75 p 0,01. Пробив на стълба ще възникне, ако токът на проврялата се мълния е по-голям от (9-23): Iм () 2U 50% 2.650 4,3kA Z (1 k вр ) 400(1 0, 25) вероятността за което е р (I) = 0,97. Броят на изключванията от проврели се мълнии е (9-24) Nиз.пр N.. p . p I 28.0,85.0,01.0,97 0, 25 а специфичният бр. на изключванията на електропровода от мълнии е (9-25) из. = из.ст + из.пр = 2,1 + 0,25 = 2,35 на 100 km за 1 год. Според осреднени данни от аварийната статистика у нас той е около 3. Специфичният брой на изключванията от мълнии, определен по крива 2 от фиг. 9-14, за n ч =50 часа е из = 3,5 на 100 km за 1 год. 9.5.5. Повреди от мълнии От ударите на мълния по електропроводите възникват земни и къси съединения, които могат да доведат до характерни повреди - прегаряне на проводници и клемни съединения от големите токове с промишлена честота, термично увреждане на металната арматура и на глазурата на изолаторите от 141 електричната дъга в мястото на разряда и др. Много характерни са вътрешните пробиви на порцелановите изолатори от въздействащите върху тях импулсни вълни с голяма стръмнина. Тези пробиви са най-характерни за електропроводите за средно напрежение, където се използват изолатори от типа VHD 1 (т. нар. делта изолатори). Поради малката дебелина на порцелана в шийката на изолатора вътрешните им пробивни напрежения са сравнително ниски, макар и по-високи от 50%те импулсни разрядни напрежения (по повърхността на изолатора). Вътрешната и външната изолация на тези изолатори е правилно координирана само при стандартни импулсни вълни - разрядите стават по повърхността на изолатора, а не чрез пробив. Обаче волт-секундната характеристика на порцелана е по-полегата от тази на въздуха. Ето защо при стръмни импулсни вълни, изолаторите пробиват вътрешно и се пръскат 2. В резултат на това следва прекъсване на електроснабдяването и загуби от недоставена електроенергия. Стръмните импулсни вълни възникват при удари на електропроводи без мълниезащитни въжета, каквито електропроводи за средно напрежение. мълния по са всички Според фиг. 9-10 над 40% от мълниите са със стръмнина на тока над 1 5 k A/ µs , следователно със стръмнина на напрежението на вълната над . 400.15 ⁄ = = = 3000 2 2 Такива мълнии могат да пръснат изолаторите на най-близките стълбове. Аналогично могат да бъдат обяснени и разрядите на висящите порцеланови изолатори в дългите гирлянди по електропроводите за свръхвисоки напрежения. Тези разряди съпътстват най-често такива разряди по гирляндата, които прилепват по повърхността на изолаторите, например при замърсени и овлажнени гирлянди. Преди разряда разпределението на напрежението по изолаторите в гирляндата е капацитивно — крива U K от фиг.9-15 б. 1 2 По БДС те са означени като изолатори ИН или УИН. За произвежданите у нас изолатори ИН-20 това се наблюдава при стръмнини (2000—3000) kV / s , а за изолаторите УИН-20 — пои (3000—4000) kV / s . 142 фиг. 9-18. Възникване на бързоизменящи се напрежения върху изолаторите от гирляндата при електрически разряди по повърхността а—разряд по повърхността на изолатора or фазовия проводник към траверсата; б— разпределения на напреженията по дължината на гирляндата: преди разряда (U k ); и след като разрядът е достигнал n-я изолатор (U p ); в—стилизирано изменение на напрежението на n-я изолатор (t— време за развитие на разряда) В процеса на развитие н а разряда, който се разпространява по гирляндата от фазовия проводник към траверсата на стълба, напрежението на докоснатия от дъгата изолатор отведнъж нараства до напрежението на фазовия проводник. Тогава разпределението на напрежението по елементите на гирляндата има вида на крива U p от фиг. 9-15б. На изолаторните елементи въздействат краткотрайни, но бързо изменящи се напрежения (фиг. 9-15в), които могат да ги пробият вътрешно. Устойчиви на бързо изменящите се напрежения са изолаторите с високи вътрешно пробивни напрежения. За мрежите за средни напрежения се използват т. нар. непробиваеми изолатори, които са от типа на плътните подпорни 1 . При тях разстоянието между фазовия проводник и заземената арматура на изолатора е много по-голямо, волт-секундната характеристика на вътрешната и м изолация е разположена по-високо от тази на външната. При електропроводите за високи напрежения се използват плътните висящи изолатори - т. нар. пръчковидни изолатори. Много подходящи за електропроводите за свръхвисоки напрежения са гирляндите от висящи стъклени изолатори, вътрешните пробивни напрежения на които п р и стръмни импулсни вълни са значително по-големи от тези на порцелановите. 9.6. Вълнови процеси по електропроводи При внезапно планово или аварийно изменение на запасената електромагнитна енергия в ЕЕС тя преминава през преходен процес в ново енергийно състояние. В заместващите схеми енергийното състояние на системата се отчита с параметрите R, L, C и участващите е. д. н. Преходният процес се характеризира с колебание на електромагнитната енергия, разпространяваща се с определена скорост по проводниците на цялата система. За целите на ТВН интерес представлява изменението на режимните параметри напрежение и ток в преходния процес и доколко той засяга проблемите на изолацията. 143 Електромагнитните преходни процеси в ЕЕС се моделират по схеми със съсредоточени и разпределени параметри. Строго погледнато, всички елементи на ЕЕС се характеризират с непрекъснато, присъщо за тях разпределение на трите вида енергия: активна, магнитна (индуктивна) и електростатична(капацитивна). Следователно заместващата им схема трябва да бъде с разпределени параметри. Схемата с разпределени параметри дава изменението на напрежението(тока) не само във времето (в зависимост от аргумента t), но и в пространството, определено с координатите x, y, z. На практика електромагнитната вълна се разпространява по направление на тоководещите части и при пренебрегване на активните загуби се получава т.нар. плоско-паралелна вълна, чието изменение може да се дефинира само в едно направление x по продължение на тоководещите части. По такъв начин се получава едномерна в пространството задача на преходния процес. Както е известно, задачите на преходния процес в системи, които имат заместващи схеми с разпределени параметри, са съществено по - сложни в сравнение със заместващите схеми със съсредоточени параметри. Ето защо такива задачи се решават само тогава, когато е от значение разпределението на напрежението и тока по протежение на тоководещите части, т.е. когато дължината на разпространяващата се електромагнитна вълна е съизмерима с дължината на електропроводната линия. Когато геометричната дължина на електропроводната линия е съществено по малка от дължината на електромагнитната вълна, практическа разлика между потенциалите по дължината на разглеждания проводник няма и тогава може да се използва схема със съсредоточени параметри. Еквивалентен критерий за използването на един или друг вид схеми е следният: ако скоростта на изменение на смущаващото напрежение (на източника) е числено съизмерима със скоростта на разпространение на електромагнитната вълна, задачата трябва да се решава с помощта на схеми с разпределени параметри. Във връзка с това се разглеждат дълги и къси електропроводи. Понятието “дълъг електропровод” е относително. Въздушен електропровод с дължина 100 км ще бъде “дълъг електропровод” при въздействащо напрежение с честота 3000 Hz или при скорост на нарастване на напрежението на разпространяващата се електромагнитна вълна 100 ÷ 300 kV/µs и повече (скоростта на разпространение на вълната по въздушен електропровод е равна 300 m/µs). Практически посочената скорост на нарастване на напрежението имат електромагнитните вълни при атмосферните напрежения, възникващи във всички случаи. Комутационните пренапрежения, които се характеризират с по - голяма дължина на вълната, не винаги е целесъобразно да се изследват със схеми с разпределени параметри. От друга страна, при комутационните пренапрежения могат да възникнат ситуации, при които по системата започва да се разпространява вълна с много голяма стръмност на фронта, например при разряд или пробив в изолацията. Тогава проследяването на преходния процес в интересуващите ни възлови точки може да изисква разглеждането на схема с разпределени параметри. 144 Това е особено необходимо, ако времето на затихването на свободната съставяща на напрежението е съизмеримо с времето, определено от волт - секундната характеристика на изолацията във възловата точка, което съответства на амплитудата на напрежението на преходния процес. Времето на затихване на свободната съставяща зависи от разстоянието между възловата точка и точката, в която се генерира вълната. В тази глава се разглеждат явления в ЕЕС при значително опростяване на заместващите схеми. Например пренебрегват се активните загуби във веригите, многопроводните вериги се изучават при условията на разпространение на плоско - паралелни вълни. В повечето случаи числените оценки при такива опростявания са удовлетворителни в областта на ТВН и във всички случаи са достатъчни за инженерите - електроенергетици, които не се специализират в тази област. Специализиращите се по тези въпроси могат да се запознаят с по - точните методи за решаването на разглежданите задачи в специалната литература, където тези задачи се решават с по - сложен математичен апарат. По - нататък се употребява обобщеното понятие линия, което може да означава електропровод, шинопровод с възлови точки, към които са прикачени отделните подстанционни елементи, или проводник на електрически машини. МОДЕЛ НА ПРЕХОДЕН ПРОЦЕС В ЕДНОРОДЕН ЕЛЕКТРОПРОВОД Преходният процес в еднопроводна линия, представена със заместваща система с разпределени параметри, се описва със система уравнения от вида [50]: U i i u r .i L g.u C ; , x t x t 9-35) Където: r и L са съпротивлението и индуктивността на единица дължина на веригата проводник - земя; g и C - проводимостта и капацитетът на единица дължина на проводника към земя ; uиi - напрежението и токът по дължината на линията. Под еднопроводна линия ще разбираме линия, която има за обратен проводник земята. Уравненията (9-26) са съставени при условие, че r, L, g, C (за единица дължина) са постоянни по дължината на линията, т.е. линията е хомогенна. За въздушни електропроводи, проводниците на които са окачени на голяма височина над земята и имат добра изолация, това условие е приемливо. Системата уравнения (9-26) описва преходния процес в реална линия със загуби. Тук ще се ограничим с разглеждането на изменението на u и i в преходния процес в “идеални линии” без активни загуби. Такъв опростен подход е целесъобразен поради следните причини. 145 Съпротивлението на проводника rп е незначително в сравнение с L и C и не внася практически забележима грешка. Съпротивлението на земята, нищожно при по - бавните процеси поради малката плътност на тока, става забележимо при бързо изменящите се процеси, например от порядъка на стотици kV/µs, поради повърхностния (скин) ефект. Такива условия се създават при атмосферни пренапрежения. Изследванията показват, че и при тях активното съпротивление на земята като обратен проводник има значително по - малко влияние върху затихването и деформацията на вълните на пренапрежението в сравнение с влиянието на импулсната корона. Ето защо на практика при решаване на задачите, свързани с пренапреженията, се отчита само влиянието на импулсната корона. И накрая - изводите въз основа на модела на идеалната линия са по - прости и нагледни. В този случай (9-26) придобива вида u i i u L ; C . x t x t 9-36) Двете уравнения могат да се сведат до 2U 2u 2i 2i LC 2 0 ; 2 LC 2 0, x2 t x t 9-37) известни като “уравнения на телеграфна линия без загуби”. Операционният вид на уравнението за напрежението от (9-28) ще бъде 2U _ p2 1 v U 0 ; . x2 v2 LC 9-38) Общото решение на уравн. (9-29) може да се търси в две форми: p x v p x v _ _ p p U n ch x U 0' sh x , 9-39) v v където Uн, U0 ‘, Uн’, U0’ са интеграционните константи, зависими от оператора p и определящи се от граничните условия. Втората форма представлява общото решение като сума от две частни решения във вид на хиперболична функция, което решение след определянето на интеграционните константи и използването на теоремата на разлагането за намиране на оригинала на функцията придобива най общия вид: _ u Un e _ U0 e u U H U k . sin( k x). cos(k .t ) , k 1 където к и к са фазовият коефицент и честотата на к - тия хармоник ; Uk - амплитудата на к - тия хармоник. 146 Методът се нарича метод на стоящите вълни (метод на Фурие). Той дава решението на преходния процес като установило се напрежение, върху което се наслагва безкраен ред от стоящи вълни, всички с възел в началото на линията и амплитуда в края на линията. Освен първия хармоник всички висши хармоници имат брой възли по продължение на линията според поредния номер на хармоника. Тази форма на решението е удобна за анализ на по - бавни преходни процеси и се използва при изследването на установяващи се и комутационни пренапрежения. Общото решение на (9-30) като сума от частни решения в експоненциални функции, както е известно от “ Основи на електротехниката ”, дава решението във вид на бягащи по линията вълни (метод на Даламбер). съгласно теоремата на закъснението [48] _ UHe px v x U H (t ) v 0, t x v x x U H (t ), t v v 0, t 0 x U 0 e U 0 (t ) , x v U0 (t ), t 0 v Следователно решението ще придобие вида _ pv x x x u UH (t ) U0 (t ) UH ( x vt ) U0 ( x vt ) v v 9-40) Особеното на тази функция u е, че x и t се изменят по такъв начин, че нейният x v аргумент остава постоянен - или в измерение на време ( t ) , или в измерение на пространството (v x x vt const) . Следователно остава постоянна ' x v стойността на функцията u ( ) u ( v ) и u(t ) u( x vt ) представлява процес, при който всяка стойност на u се премества в пространството в посока на x v нарастване на x със скорост v. Обратно, функцията u(t ) u( x tv) представлява процес, при който всяка стойност на u се премества в пространството в посока на намаляването на x със скорост v. От (9-31) и (9-27) се получава аналогично решени за тока i : 1 1 i iH ( x vt ) i0 ( x vt ) UH ( x vt ) U0 ( x vt ) Z Z 9-41) 147 Знакът в дясната част на (9-31) и (9-32) се определя от положително избраната L посока на тока по нарастване на x. В (9-31) и (9-32), Z означава вълновото C съпротивление на линията : v 1 c - скоростта на разпространение на LC ' ' вълните, където c = 300 m/s - скоростта на светлината. За въздушна линия ‘ = ‘ = 1 и v = c. За кабелна линия, ако ‘ 4 (хартиено - маслена изолация), v 150 m/s и ‘=2,0 (пластмасова изолация), v=200m/s. От (9-31) и (9-32) следва i u u u ,iH H ,i0 0 . Z Z Z За еднопроводна въздушна линия Z ' където h h L 2h 2h 60 ln 138 lg , C r r 2 f е средната височина на проводника над земята ; 3 h’ - височината на окачването на проводника; f - провесът в средата на междустълбието; r - радиусът на сечението на проводника. За снопов проводник се приема неговият еквивалентен радиус [15]. Стойността на Z за въздушни линии се изменя в сравнително тесни граници (h и r под логаритъма) - от 350 до 450 . За кабелните линии в зависимост от капацитета С се изменя в границите от 15 до 50 . При едно и също напрежение токът в кабелните линии е 1 L много по - голям от този във въздушните. От Z и v следва, че C LC индуктивността и капацитетът на цялата линия с дължина l са Z 1 Ll L.l l; Cl C.l l. v Zv 9-42) И така от (9-31) и (9-32) се вижда, че напрежението и токът в коя и да е точка на линията в произволен момент от времето могат да се разглеждат като сума от две вълни на напрежението, респективно на тока, първата от които се движи със скорост v в посока на нарастване на x и която ще наричаме настъпваща вълна, и втората - в посока на намаляване на x, която ще наричаме отразена вълна. При направените опростявания вълновото съпротивление Z се представя с реално число и следователно има характер на активно съпротивление. Ако към една хомогенна линия с безкрайна дължина приложим напрежение u(t), напрежението във всяка точка (x- vt) на линията ще има стойност u ( x , t ) u H ( x , t ) и преходен процес няма да има. Ако линията е с крайна дължина l, след време t l v 148 настъпващата вълна н ( , ). След още t отрази от началото на линията със стойност точка в даден момент ще бъде ( , )=∑ н +∑ о = l отразената вълна v о ( , ) ще се н ( , ) и т.н. Напрежението във всяка н + 9-43) о При идеална линия, ако към нея не е включен товар (произволен по характера на параметрите си), преходен процес няма да има. Ако обаче към линията е включена друга линия (товарно съпротивление) с друго разпределeние на L и C, в разглежданата линия, респ. в граничната точка, ще се установи напрежение след преходен процес, при който амплитудите на многократно отразените вълни с нарастването на поредния си номер k ще затихнат до нула. При анализът на процеса в схемите, приложеното напрежение u (t ) може да има произволна форма. С усложняването на формата се усложнява и затруднява аналитичното решение на задачата. В случай на неедноконтурна схема то може да стане невъзможно. При изследване на преходните процеси с вълновия метод се използват четири типа вълни (фиг. 9-16): - правоъгълна с безкрайна дължина (а); - правоъгълна с крайна дължина, получена от наслагването на две вълни с различен знак, амплитудите на които се разпространяват в една посока с разлика във времето t (б); - с наклонен фронт и безкрайна дължина, получена също така с наслагване, както е показано на фигурата (в); - експоненциална вълна (г). а) Правоъгълна вълна б) Правоъгълна вълна с крайна дължина в) Вълна с наклонен фронт г) Двойно експоненциална вълна фиг. 9-19. Типови форми на вълни на напрежение Четирите вида вълни се описват с функциите: u ( x, t ) U ; 0, t 0 u ( x, t ) U ,0 t t1 0, t t1 149 u(x,t) v' (t t' ) и u(x,t) u(et et ), където v’ е скоростта на нарастване на напрежението; и са коефициенти на затихване; t t ' t За илюстрация на влиянието на параметрите на линиите върху преходния процес е много удобно да се използва правоъгълна вълна, решенията на която са прости и резултатът е много u нагледен. При анализа на преходния процес в сложни схеми с произволни форми на вълната се използва също t правоъгълна вълна с безкрайна дължина, с помощта на която се фиг. 9-20. Представяне на реална вълна на формира вълната с произволна форма напрежение чрез поредица от правоъгълни вълни така, както е показано на фиг. 9-17. Преходният процес се проследява за всяка правоъгълна вълна и при линейни схеми резултатът представлява суперпозиция на всички отразени и пречупени вълни. По същия начин се осъществява решението и с апериодичния импулс, който апроксимира реалните атмосферни пренапрежения. Такава процедура е много подходяща за симулиране на процесите с математически модели. В такъв случай една къса правоъгълна вълна може да се представи като сума от две вълни с противоположни амплитуди фиг.9-18. Преминаването на вълни от електропровод (ЕП) с едно вълново съпротивление в електропровод с друго вълново съпротивление е свързано с пречупване и отразяване на вълните в мястото на свързването (възлова точка). На фиг. са показани случаите > и < , където е вълновото съпротивление на електропровода, от който идва вълната на напрежение . За опростяване фиг. 9-21. Представяне на къса вълна на разглеждането е прието, че постъпващата вълна е с отвесно чело и безкрайна дължина. Прието е също, че началото на първия и края на втория ЕП са много отдалечени и за времето на разглеждането от тях не постъпват отразени от краищата вълни. 150 фиг. 9-22. Пречупване и отразяване на вълни в точка между два ЕП. За възлова т. А могат да се напишат изразите (9-31) и (9-32) и тъй като .и = = . , то = н + о = н = и н − о = н или н − о = = = н След заместване и преработка за пречупената вълна се получава: н = . . н = . 9-44) н а за отразената вълна се получава: о = . н = . 9-45) н Коефициентът се нарича коефициент на пречупване на вълната на напрежение, коефициентът - коефициент на отразяване на вълната на напрежение. Както се вижда от (9-35) и (9-36) и фиг. 9-19 когато вълна движеща се по ЕП с повисоко вълново съпротивление постъпи в ЕП с по-ниско вълново съпротивление, се намалява амплитудата на вълната. Ако вторият ЕП е с по-високо вълново съпротивление е обратното. Характерен и благоприятен случай е преминаването на вълна на напрежение от открит към кабелен ЕП, което е често срещано както в електрическите мрежи СрН, така и в ел. мрежи ВН (в градски зони). Постъпилите по въздушните ЕП вълни от атмосферни пренапрежения, при преминаване в кабелни ЕП, намаляват амплитудите си до подстанциите, свързани към тях. Анализирайки формули (9-35) и (9-36) се вижда, че 0 ≤ ≥ 2 и −1 ≤ ≥ 1. Ако ЕП, по който се движи вълната на напрежение е на п.х. в края ( = ∞), напрежението му се удвоява ( = 1), когато вълната достигне края му, а ако е заземен ( = 0), отразената вълна е с обратен знак ( = −1). Ако в т.А са свързани няколко ЕП (подстанция с n – извода), постъпващите по отделните изводи вълни намаляват своята амплитуда. В този случай, коефициентът на пречупване придобива стойност = (фиг. 9-20). 151 Преминаването на вълни на напрежение през възлова т., в която е свързан съсредоточен елемент (активно съпротивление, индуктивност, капацитет и др.) води не само до пречупване и отражение, но и до допълнителни деформации на вълните. Те се решават с уравнения (9-31) и (932) като във възловата т. се въведат съответните елементи. Характерни случаи са показани в Таблица 9-2. фиг. 9-23. Пречупване на вълна във възлова т. Приема се, че постъпващата вълна по образувана от няколко ЕП първия ЕП е с отвесно чели и с безкрайна дължина. В случай на съпротивление R, свързано към земя във възловата т. между два ЕП важат изразите = и = + , при което уравнения (9-31) и (9-32) придобиват вида: н + о = и н − н = о + н н или − о = н + н . За пречупената вълна във втория ЕП ще се получи израза: н = о = . . .( ) . . ( , а за отразената вълна в първия ЕП – н ) .( ) . . н Ако във възловата т. между двата ЕП е свързана последователно индуктивност, са валидни изразите = + и = , които написани в уравнения на вълни придобиват вида: н н + − о о = = н н или н Получава се н + + н = , защото о − 1+ 2 = н = н н н = и . 2. 2 н Решението на това нехомогенно линейно диференциално уравнение от първи ред е 2. 2 . 1+ 2 н = о = 1− 1− 2. 1 1+ 2 . 1− н , където: . н = 1+ 2 и . Ако във възловата т. между двата ЕП е свързан към земя капацитет C ще бъдат в сила изразите: = и = + , които като уравнения на бягащи вълни ще получат вида: 152 н н + − о о = = н н и + н − н о = н + н = , защото н , от което се получава + 1+ 2 1. 2. н или н = 2 1. н . Решението на това диференциално уравнение е н = 2. 2 . 1+ 2 1− о = −1 + 2. 1 1+ 2 . 1− н , където: . н = 1. 2 1+ 2 . и . Както се вижда, преминаването на вълни на напрежение през последователно присъединена индуктивност и паралелно свързан капацитет водят както до намаляване на стръмността на челото на вълната във втория ЕП, така и на нейната амплитуда. Преминаването на вълни на напрежение през последователно съединени ЕП с къси дължини, както и през т., от които се отклоняват къси ЕП води до получаване на многократни отражения и пречупвания на вълните на напрежение. Получава се амплитудно модулирани върху основната вълна на допълнителни вълни със същата или с противоположна полярност. Това води до значителна деформация на формата на вълните, които в много случай могат да добият колебателен характер. На фиг.9-21 е показано развитието на преходния процес в относително къс електропровод на п.х. в края. Ако се приема, че захранващият източник е с безкрайна мощност, в началото на ЕП = 0, а в отворения край = ∞. Внезапното включване на ЕП към захранващото напрежение предизвиква възникването на вълна на напрежение – 1 ( фиг. 9-21). След време = , където е дължината на ЕП, а – скоростта на движение на вълната. Вълната ще достигне т. В, където ще се удвои – вълна 2. След време отразената вълна 2 ще достигне началото на ЕП (т.А), където ще се отрази с обратен знак – вълна 3. Тази вълна отново след време ще достигне т.В, където ще се отрази със същия знак – вълна 4, в резултат, на което напрежението в края на ЕП ще стане 0. Достигайки началото на ЕП, фиг. 9-24. Многократно отразяване на отразената вълна 4 ще се отрази с обратен вълни при внезапно включване на ЕП знак като формира вълна 5 и т.н. В резултат на п.х. на описаното многократно отражение на вълната на напрежение и затихването в края на ЕП (фиг. 9-21б) се развива колебателно затихваща вълна на напрежение с амплитуда 2.U , като в началото на 153 ЕП напрежението остава неизменно – U. Таблица 9-4 Схема 2. . + .( + 2. + 2. + ) 2. + + + 1− . + 2. + = + . 1− = + ( − ) + .( + ) − . 1− = . + −1 + . + 1− + 2. + = 1− . + . МНОГОКРАТНО ОТРАЖЕНИЕ НА ВЪЛНИТЕ В реалните схеми се срещат различни съчетания на елементите. Най-сложните от тях са в схемите на подстанциите. Преходният процес, разглеждан по вълновия метод, протича чрез многократно отразяване и пречупване на вълните във възловите точки на схемата. При това поредните отразени и пречупени вълни теоретично образуват безкраен сходящ ред, сумата на който представлява установилото се във възловата точка, респ. линията, напрежение. За илюстрация на процеса ще разгледаме установяването на напрежението в линия с дължина l и вълново съпротивление Z2, включена между елементи със съпротивление Zi. Нека най-напред тези елементи представляват електропроводни линии с вълнови съпротивления Z1 и Z3 (фиг.9-22). Ако времето, за което се установява напрежението в линията с вълново съпротивление Z2 след многократното отражение във възловите точки А и В, е по-малко от удвоеното време, за което 154 Z1 Z2 A В Z3 uн(x,t) 12 uH 12 uH 12 23uH 12 23 uH 12 2123uH 12 2321uH вълните пропътуват линиите с вълнови съпротивления Z1 и Z3, можем да приемем последните линии за безкрайно дълги. В практиката този случай е налице, когато къс отрязък кабелен ЕП е включен между въздушни ЕП или обратно. 12 232321uH Много нагледна представа за фиг. 9-25. Многократно отражение и пречупване на вълните (мрежа на Бьоли) процеса може да се получи с помощта на мрежата на Бьоли (фиг.9-22). За тази цел определяме коефициентите на пречупване 12 2 Z 2 ( Z 1 Z 2 ) , респективно 21 , 23 и коефициентите на отражение 21 ( Z 2 Z 1 ) ( Z 1 Z 2 ), 32 , 12 Ако по линията с вълново съпротивление Z 1 настъпва вълна u H (t ) , в точка А ще се получи отразена вълна uOAA 21u H (t ) и пречупена вълна u A 12 u H ( t ) . След време l в точка В вълната u A ще се отрази, като u OBA 12 32 u H (t ) , и ще се пречупи, като u B 12 23 u H ( t ) . След още толкова време в точката А отразената от точката В вълна uOBA отново ще се пречупи и отрази и така процесът ще продължи до затихване на съставящите отразени и пречупени вълни в двете точки. За начало на отчитане на времето е приет моментът, когато вълната, настъпваща по Z1, пристига в точката А. Напреженията в точките А и В във функция от времето ще се получат като сумата на всичките съставящи вълни, а именно: n u A (t ) u H (t ) 21u H (t ) 12 21 12k 132k u H (t 2 k ) 9-46) k 1 n u B (t ) 1223 12k 32k u H (t 2k ) 9-47) k 0 където n е броят на последователните отражения от точките А и В. Ако настъпващата вълна е правоъгълна с безкрайна дължина и амплитуда U H , т.е. u ( x , t ) U H , като се има предвид, че последният член на (9-37) и (9-38) представлява геометрична прогресия, след прости преобразувания за t се получава: 2Z 2 Z1 Z 3 Z 2 3 u A (t ) 12n 32n U H , Z1 Z 3 Z1 Z 2 Z1 Z 3 u B (t ) 9-48) 2Z 3 n 1 1 12 32 U H , Z1 Z 3 Когато знаците на 1 2 и 3 2 са еднакви, т.е. когато 9-49) Z1 Z 2 Z 3 (къс кабелен ЕП 155 между два въздушни) или Z 1 Z 2 Z 3 (къс въздушен ЕП между два кабелни), като се има предвид, че ij 1, вълната в линията с вълново съпротивление Z 3 в съответствие с (9-39) и (9-40) монотонно стъпаловидно нараства през интервали от време 2 , като всяка следваща частична вълна е с намаляваща амплитуда, и ще се стреми към стойности lim u A ( t ) lim u B ( t ) 13 u H . Следователно амплитудата на t t вълната на напрежението в ЕП с вълново съпротивление Z 3 не зависи от присъствието на късия вмъкнат участък с вълново съпротивление Z 2 . Все едно, че той липсва и двата ЕП с вълнови съпротивления Z 1 и Z 3 са съединени в една възлова точка. Подобен резултат ще се получи когато във възловата точка между две линии е включен съсредоточен капацитет или индуктивност. Стъпаловидната вълна получена по (9-40) може да се апроксимира с гладка крива (каквато би била реалната вълна) посредством уравнението: u B ( t ) 13 1 e t T u H 9-50) Като се има предвид, че 2 t 2 (n 1) и следователно може да се положи t 2 ( n 1) , където l , от приравняването на (9-40) и (9-41) се получава Z Z2 Z3 Z2 Z1 Z 2 Z 3 Z 2 T 2 ln 1 . . 2 ln Z1 Z 2 Z 3 Z 2 Z 2 Z1 Z 2 Z 3 Ако 9-51) (къс кабелен ЕП между два въздушни ЕП), като положим и като имаме пред вид, че c 1 , от (9-42) се получава Z 1 Z 3 Z Z 2 c Z2 Z T ln 1 c 1 c C2 2 Z 1 1 2 3 c C2 9-52) 1 1 3 c2 Следователно напрежението в точката В и по въздушния ЕП с вълново съпротивление Z можем да получим като заместим кабелния ЕП със съсредоточен капацитет стойността, на който се изчислява по израза C 2 C . l l Z 2 . Z 2 с една малка поправка 1 c2 . Ако като положим 3 L Z / ZL , TL ln 1 L 1 L Z 1 Z 3 Z Z 2 от (9-42) се получава L2 2 Z (къс въздушен ЕП между два кабелни), 1 1 2 3 L L2 9-53) 1 1 3 L2 т.е. напрежението в точката В и по кабелната линия с вълново съпротивление Z 3 Z може да се получи като се замести въздушния електропровод със съсредоточена индуктивност включена последователно между двата кабелни електропровода (възловата точка) равна на L 2 L . l Z 2 . l . Z 2 с една поправка 1 L2 . 3 На фиг.9-23 е показано развитието на вълновия процес в третия ЕП за два характерни случая. Фиг. 9-23а > < съответства на последователно 156 свързване ВЕПКЕПВЕП. Както се вижда във втория ВЕП ще постъпи вълна на напрежение, която ще има стъпаловидно нарастващ фронт, т.е. включването на къс КЕП между два ВЕП намалява наклона на фронта на вълната, постъпваща във втория ВЕП. фиг. 9-26. Развитие на вълновия процес в Z3 за случаите > < и < > Фиг. 9-23б изобразява стъпално увеличение на вълновите съпротивления > > , което съответства например на КЕПВЕПТрансформатор ( = 2000Ω. В третия елемент (в случая Трансформатор) се получава не само силно увеличение на напрежението, но е налице колебателен характер, което е опасно за междунавивковата изолация на съоръжението. Развитието на вълновите процеси в елементите на подстанциите е много сложно. На практика всяка т. в схемата на една подстанция е възлова, в нея са включени различни елементи, което определя амплитудното модулиране на множество вълни с различни параметри. Развитието на вълновите процеси в електроенергийната система (ЕЕС) пък е още по-сложно. Както е известно, те са трифазни, което е свързано с взаимно влияние между отделните фази. Математическата задача се решава чрез Максуеловите потенциални уравнения [62], които не се разглеждат тук. В същото време, в реалните ЕП не бива да се пренебрегват активното съпротивление на проводниците и линейната изолация, както и съпротивлението на почвата. При напрежения над 220 kV, проводимостта на изолацията е значителна поради коронирането. Коронирането създава обемни заряди около проводниците, който променя стойността на капацитета. Аналитичните изчисления на основата на уравнения (9-27 и 9-28) позволяват да се изведат приблизителни изрази за измененията на формата на вълните при тяхното преминаване по ЕП. Деформацията на вълните се изразява главно в намаляване на наклона на фронта и намаляване на амплитудата под действието на активните съпротивления (на земята и коронирането). Намаляването на амплитудата на вълната на напрежение може да се изчисли с израза: = . √ 9-54) 157 Където: е началната амплитуда на вълната на напрежение в мястото на попадение на мълнията; е изминатото разстояние на вълната по ЕП; коефициент = 0,07 , km – за ЕП с напрежение 110 kV и нагоре. Удължаването на фронта на вълната за 1 km изминато разстояние може да се изчисли с израза: Δ ф = 0,5 + , . 9-55) Където: е началната амплитуда на вълната на напрежение в мястото на попадение на мълнията; ℎ - средна височина на окачване на проводниците; – коефициент: за единичен проводник = 1, за снопови проводници 2, 3 и 4 проводника във фаза съответно = 1,1; 1,45; 1,55 . 10. Защитни средства от пренапрежения 10.1. Открити искрови междини Защитната искрова междина е проста конструкция за защита от пренапрежения. Тя се настройва да заработи при напрежение, по-ниско от разрядното напрежение на защитаваната изолация. При разряд в искровата междина напрежението спада практически до нула със стръмен обратен фронт. Тази особеност представлява съществен недостатък на защитната искрова междина. Използването й е ефективно в системи с неутрала, заземена през Петерсенова бобина. В последно време защитната искрова междина се използва само на входа на трансформаторни постове в разпределителните мрежи за Ср.Н, които постове са отдалечени от подстанцията. При близко разположени до подстанцията трансформаторни постове се монтират вентилни отводи. Мотивът за такъв подход е следният. В разпределителните мрежи за Ср.Н. голяма част от мълниите предизвикват едновременно разряд в две или три фази. Ако трансформаторният пост е близо до подстанцията, поради малката стойност на реактанса на късо съединение честите с висока амплитуда токове на к.с. влошават комутиращите условия на прекъсвачите. В електрическите мрежи се използват три вида и искрови междини: защитни, координационни и дъгоотвеждащи. Конструктивно те се изпълняват най-често като острие—острие, острие— острие с допълнителна междина, рога, рога с трети електрод и острне-сфера(фиг.3.1). Искрищата острие—острие с допълнителна междина и рога с трети електрод се прилагат в мрежите за средни напрежения и се изпълняват така, за да се избягнат земните съединения от птици, кацнали по искрищата. 158 фиг. 10-1. Типични конструктивни изпълнения на искрови междини Защитните искрови междини служат вместо вентилни отводи за защита на съоръженията от атмосферни пренапрежения. Прилагат се в мрежите за средни напрежения за защита на трансформаторните постове, а така също и в края на дългите електропроводи за свръхвисоки напрежения за защита на отворените прекъсвачи вместо поставяните там линейни вентилни отводи. В първия случай се използват най-често искрови междини тип рога с допълнителен електрод, поставени на входящата изолаторна гирлянда на стената на трафопоста. Във втория случай искрови междини тип острие-острие се монтират на последния стълб от ЕП при подстанцията. Недостатъците на защитните искрови междини, използвани в мрежите за средни напрежения, в сравнение с вентилните отводи са следните: Стръмна волт-секундна характеристика с голямо разсейване при малки пред разрядни времена. Това прави защитата на съоръженията несигурна, особено на тези с по-полегати волт-секундни характеристики (трансформатори, реактори). По същата причина искрищата трябва да са отдалечени най-много на 10— 15 метра от защитаваното съоръжение; Всеки разряд в искровите междини е късо съединение с големи токове, от които допълнително могат да възникнат повреди в прекъсвачи, клемни съединения и др. Поради това не се препоръчва да се поставят искрови 159 междини на трафопостовсте, отдалечени на по-малко от 4÷5 км от подстанцията; Защитните искрови междини увеличават неколкократно броя на изключванията на електропроводите от индуктирани пренапрежения, понеже намаляват значително изолационното им ниво. Ето защо те могат да се използват само в мрежи с АПВ; При заработването искрищата генерират стръмни импулсни вълни, които са опасни за надлъжната изолация на трансформаторите. Удачно е да се използват за защита на трансформатори устойчиви на импулсни вълни (например с многослойни намотки). Искровите междини обаче имат едно съществено предимство пред вентилните отводи - те са просто, сигурно в експлоатационни условия и много евтино мълниезащитно средство. Разстоянието между електродите им се подбира от следните съображения: Защитните искрови междини не трябва да заработват при някои типични комутационни пренапрежения (в мрежите за средни напрежения това са пренапреженията при земни съединения, понеже земното съединение би прераснало в късо). В мрежите за свръхвисоки напрежения меродавни са пренапреженията при включване на електропровода на празен ход, понеже, ако искрището при включването заработи, електропроводът отново ще изключи; Импулсните разрядни напрежения на искровите междини трябва да са пониски (с резерв от около 30%) от импулсното изолационно ниво на защитаваните съоръжения. Координационни искрови междини. Поставят се в края на електропроводи с увеличено изолационно ниво, за да го редуцират до нормалното за даденото номинално напрежение и така да намалят амплитудата на постъпващите в подстанциите импулсни вълни. В практиката са необходими в следните случаи: ЕП се експлоатира временно с по-ниско работно напрежение от номиналното, за което е построен. Такава ситуация възниква, ако подстанциите, конто захранват ЕП, работят е по-ниско напрежение, но се предвижда в бъдеще да работят с номиналното напрежение на електропровода. Външното изолационно ниво на ЕП е увеличено с оглед на замърсяването в района на подстанцията. Дъгоотвеждащите искрови междини се поставят на изолаторите на електрическите апарати с оглед дъгата да не гори по повърхността на изолатора, а между електродите на искрището. Те са с още по-големи между електродни разстояния от координационните искрови междини. 160 10.2. Тръбни отводи Принципна схема на устройството и включването на тръбния отвод (TO) e показана фиг. 10-2. Разрядникът се състои от тръба 1, изработена от фибър или винипласт и материали, които имат дъгогасяща способност. Във вътрешния отвор на тръбата, затворена от единия край, е поместен прътовиден електрод 2. Другият електрод е метален фланец на срещуположния край на тръбата, за който е закрепена външна искрова междина. Вътрешната искрова междина S1 e дъгогасителна. Външната искрова междина S2 изолира ТО при работно напрежение. В противен случай материалът на тръбата ще се разрушава от тока на утечката. Защитната характеристика на ТО се определя от волт-секундната характеристика на двете искрови междини. При атмосферни пренапрежения става разряд през двете искрови междини. Токът на мълнията и токът с промишлена честота ( съпровождащ ток) предизвикват силно газоотделяне от вътрешната повърхност на тръбата. Излизащият през фланеца с голяма скорост газ издухва йонизираните частици, намиращи се в канала на дъгата. Дейонизираният канал и високото налягане на газа във вътрешността на тръбата обуславят много висока скорост и висока стойност на възстановяващата се електрична якост. В резултат на това токът в S1 и S2 спада до нула. Предимството на тръбния отвод в сравнение с искровата междина е способността да възстановява електричната якост на фазовата изолация. Недостатък е бързото им износване, което налага честата подмяна на тръбите. У нас ТО не се използват. фиг. 10-2. Схема на устройството на тръбен отвод: 1- тръба от газоотделящ материал; 2,3 и 4електроди. 10.3. Вентилни отводи Вентилният отвод (ВО) се състои от последователно свързани искрови междини (ИМ) и нелинейни работни съпротивления (HРC). Искровите междини отделят НРС от работното напрежение и трябва да «загасват» съпровождащия ток след отвеждане на тока на мълнията, т. е. да възстановят фазовата изолация. Съществуват различни конструкции ИМ с близки по стойност разрядни напрежения, но с различни дъгогасящи способности. Най-простата ИМ е показана на фиг.5. Състои се от профилирани месингови дискове 1, разделени от слюдена шайба 2. Работната междина е с дължина от 0,5 mm. Броят на единичните ИМ във вентилния отвод зависи в известни граници от възприетата концепция за нивата на волт-секундната и волт-амперната 161 характеристика. При употребяваните у нас вентилни отводи от типа РВС броят на единичните искрови междини приблизително съответства на напрежението на здравите фази при земно съединение в kV. Следователно работното напрежение на една искрова междина в нормален режим е около 1кV. Разрядното й напрежение е средно 3 kV, a напрежението на гасене (напрежението, при което тя може да изгаси съпровождания ток) е около 1,5 kV. Гасенето на съпровождащия ток е основано на естественото възстановяване на електричната якост между електродите. Граничната стойност на амплитудата на тока на гасене Iгас е 80-100А. фиг. 10-3. Искрова междина с неподвижна дъга: 1- електроди; 2- изолационни подложки (преграда). Импулсният коефициент на тази искрова междина е 1. За подобряване на условията на гасене на съпровождащия ток е от значение равномерното разпределение на напрежението с промишлена честота по отделните ИМ. За тази цел единичните ИМ се групират по няколко на брой, шунтирани с нелинейно съпротивление. В резултат на голямата скорост на изменение на импулсното напрежение разпределението на напрежението по цялата колонка от ИМ на вентилния отвор е нелинейно и се определя от надлъжните и напречните (паразитни) капацитети на ИМ. Ето защо импулсният коефициент на BO e < 1. Защитните характеристики на ВО зависят от дъгогасителните способности на искровите междини. Това е довело до разработването на различни конструкции единични искрови междини с повишени дъгогасителни способности. На фиг.10-4 е показана искрова междина с разтягаща се дъга. Дъгата, запалваща се между електродите 1 под действие на аксиално магнитно поле, създадено от постоянните магнитни N — S или специални бобини, се стреми да заеме положение D в пространството с намалена широчина S. В резултат на удължението на дъгата и горенето й в тесен процеп се увеличават дейонизационните условия и дъгата изгасва. На фиг.10-5 е показана кръгова искрова междина между ексцентрично разположени електроди 2 и 4. Под действие на аксиалното магнитно поле дъгата придобива въртеливо движение по периметъра на ИМ. В резултат на това се намалява температурата на стъпката на дъгата върху електродите и дейонизационните условия се подобряват. Токът на гасене на тези искрови междини Iгас > 250 А. Някои фирми за подобни конструкции дават Iгас= 500 - 600 А. Нелинейните работни съпротивления трябва да ограничават импулсното напрежение на ВО и съпровождащия ток през фиг. 10-4. Искрови междини с разтягаща дъга; 1- електрод; 2дъгогасителна камера; 3преграда 162 него до зададени стойности. Изработват се във формата на дискове с диаметър от 55 до 180 mm и дебелина от 10 до 60 mm. Материалът им представлява карборундови кристали (силициев карбид), свързани с водно стъкло, пресовани и изпечени при висока температура. Нелинейното съпротивление се дължи на повърхностния слой на карборундовите кристали. Степента на нелинейност зависи от температурата, при която се изпичат. При температура на изпичане под 1000°С материалът се нарича вилит. Той има по добра нелинейна характеристика, но по-малка пропускателна способност. При температура на изпичане над 1000°С се нарича тервит и имат по-слаба нелинейност на волт-амперната си характеристика, но по-висока пропускателна способност. фиг. 10-5. Искрови междини с въртяща се дъга; 1облъчващ електрод; 2 и 4електроди; 3- изолираща подложка; 5- постоянен магнит Волт-амперната характеристика на един диск има вида U C .I , където С е константа, равна на напрежението на диска при ток 1 А; - коефициент на нелинейност. Коефициентът на нелинейност има различни стойности за различните части на волт-амперната характеристика. В областта на големите токове за вилита = 0,11-0,20, а за тервита α= 0,15-0,25. В областта на съпровождащия ток за вилита α = 0,25 - 0,30, а за тервита α = 0,35-0,38. Волт-амперната характеристика на n диска е = . . . На практика тя се апроксимира в логаритмичен мащаб по U и I c прави линии с различен наклон, съответстващ на горе цитираните стойности на α. Пресечената им точка е разположена в обхвата около 1000 А в зависимост от конструкцията на диска. При много големи токове в резултат на високата температура и повишените напрежения НРС се разрушава. Прието е пропускателната способност на работните съпротивления да се характеризира с амплитудната стойност на импулсния ток с продължителност (20—40) µs и ток с правоъгълна форма с продължителност 2 µs, които токове съпротивлението трябва да издържи не по-малко от 20 пъти. Граничната стойност на амплитудата на импулсния ток за вилитови и тервитови дискове Iдоп= 5÷14 kA. При по-малък брой на импулсите на тока, съпротивлението може да издържи по-високи амплитудни стойности. В такъв случай е валидна формулата . = , където k e константа, зависеща от формата на импулсния ток и вида на материала; n — брой на импулсите. За различен брой импулси и различна амплитудна стойност на тока ⁄ = ( ⁄ ) . Вентилният отвод притежава функционални и параметрични характеристики. Функционални характеристики са волт-секундната характеристика — определена от ИМ, и волт-амперната — определена от НРС. При зададена гасителна 163 способност на ИМ понижението на едната характеристика става за сметка на повишението на другата. Следователно защитната способност на ВО като цяло не може да се подобри. При по-големи дъгогасителни способности на ИМ може да се понижи както волтсекундната, така и волт-амперната характеристика. Следователно защитните характеристики на ВО се обуславят от гасителната способност на ИМ. Параметричните защитни характеристики са следните. Напрежение на гасене напрежение с промишлена честота върху ВО в момент на гасене на съпровождащия ток: Uгас = Kс.Uфм, Където: Uфм е максимално допустимото работно фазово напрежение, кV Кс - коефициент на мрежата. Кс = 0,8 за система с директно заземена неутрала, Кс = 1,4 за система с изолирана или заземена чрез гасителен реактор неутрала. Разрядно напрежение при апериодична импулсна вълна (точка от волтсекундната характеристика). Разрядно напрежение с промишлена честота Uпр~ остатъчно напрежение Uост, определено от волт-амперната характеристика. По каталози Uост ce дава при 3,5 и 10 kA. С помощта на изброените параметри се определят т. нар. защитни отношения: Поради ограничената пропускателна способност ВО в миналото се използваха само за ограничаване на атмосферните пренапрежения. След като бяха конструирани ИМ с високи дъгогасителни способности, се появи възможност да се използват дискове с голям диаметър, т. е. с по-висока пропускателна способност. На тази основа бяха конструирани ВО за ограничаване на комутационните пренапрежения. Със специални схемни решения (различно последователно и паралелно свързване на елементи) бяха разработени комбинирани ВО за ограничаване на двата вида пренапрежения. Като средства за защита от пренапрежения могат да се разглеждат: гасителният реактор в неутралата на разпределителните мрежи и АПВ в мрежите с всички видове заземяване на неутралата. Макар строго те да не са мълниезащитни средства, те съществено намаляват специфичния брой изключвания на ВЕП поради земни съединения, предизвикани от мълнии. Вентилните отводи с искрови междини имат последователно включени разрядници и нелинейни резистори на основата на вилит или тервит. Основните параметри на вентилните отводи са: - остатъчно напрежение; - напрежение на гасене; - разрядно напрежение. За вентилните отводи руско производство означенията имат следния смисъл: 164 РВМК - вентилен отвод с магнитно гасене за атмосферни и комутационни пренапрежения; РВМУ - вентилен отвод с магнитно гасене за еднополярни за защита на тягови уредби в електротранспорта; РВМГ - вентилен отвод с магнитно гасене за атмосферни пренапрежения; РВРД - вентилен отвод с издухване на дъгата за защита на въртящи се електрически машини; РВО - вентилен отвод облекчен за защита на подстанции средно напрежение; РВС - вентилен отвод за защита на мрежи средно напрежение. 10.4. Металноокисни вентилни отводи Металноокисните вентилни отводи без искрови междини се състоят (в електричната заместваща схема) само от последователно свързани съпротивления с изключително голяма нелинейност. Конструкцията на такъв вентилен отвод е показана на фиг. 10-6, а елементите на фиг. 10-7. При работно напрeжение през металноокисните вентилните отводи практически не протича ток. По тази причина те нямат искрови междини. При тях не съществува понятието пробивно напрежение и напрежение на гасене, характерно за традиционните вентилни отводи. При надхвърляне на определено напрежение металноокисните вентилни отводи стават проводими и могат да провеждат много големи токове без да се повреждат (I<Imax). При това остатъчното напрежение на вентилния отвод (и на защитаваното съоръжение) е достатъчно ниско - сравнимо и по-ниско от това при обикновените вентилни отводи с искрови междини. Поради голямата нелинейност на волт-амперната характеристика на металноокисните вентилни отводи, те могат да ограничат и всички комутационни пренапрежения, които не превишават енергийния капацитет на вентилния отвод, който се задава в kJ/kV(Uc). Металноокисните вентилни отводи се характеризират със следните параметри: Uc - максимално трайно допустимо работно напрежение. Това е най-високото напрежение с промишлена честота, което вентилният отвод може да издържи трайно. T - устойчивост срещу временни пренапрежения (TOV). Допустимото временно превишаване на напрежението спрямо Uc за време t. При това се предполага, че вентилният отвод преди и след това пренапрежение е бил под напрежение Uc. E - възможност за поемане на енергия Допустимата енергия в [kJ/kV] от напрежението Uc, която вентилният отвод може да поеме без пауза за охлаждане. Защитните характеристики на металноокисните вентилни отводи се дават с остатъчното напрежение при токови импулси: 165 1/5µs при 10kA и 20kA - срязана вълна; 8/20µs при 5 + 40kA - стандартен импулс на тока; 30/60µs при 1kA и 3kA - комутационен импулс на тока. Металноокисните вентилни отводи са херметизирани. Те се подлагат на профилактични изпитвания, описани по-нататък, но ако те бъдат изпитвани с повишени напрежения със стойности над Uc за продължително време, нелинейните им съпротивления ще се разрушат (при достатъчна мощност на изпитвателната уредба). Предпазен клапан Мембрана Пружина Горен фланец Цементация Метална връзка МО резистори Крепежни стержени Крепежна плоча Порцеланов изолатор Аl фланец фиг. 10-6. Напречен разрез на високоволтов МОВО с порцеланова изолация Случаите, при които могат да бъдат разрушени или повредени МО вентилните отводи се свеждат до следните: - когато вентилният отвод е принуден да отведе атмосферно пренапрежение с огромна стойност; - когато вентилният отвод е подложен трайно на напрежение с промишлена честота (50Hz), надхвърлящо напрежението Uc; - когато вентилният отвод е подложен на временни пренапрежение (установени пренапрежения при з.с.) и тяхната кратност U/Uc = T надхвърля предписаната от производителя стойност на продължителност t. Ако 166 пренапреженията са по-големи, нелинейните съпротивленията на вентилните отводи се разрушават, което води до к.с. В случай, че токът на к.с. е много голям се стига до отваряне на защитния клапан на отвода, а при още поголеми токове и до взривяването им. фиг. 10-7. Нелинейни съпротивления Повреда на вентилните отводи може да настъпи и при временни повишения на напреженията с промишлена честота или с честоти различни от 50Hz (субхармоничен или ултрахармоничен резонанс). При експлоатация на вентилните отводи от съществено значение е да се поддържа херметизацията им. Ако тя се наруши нелинейните елементи се овлажняват и е възможно да се снижи волт-амперната характеристика, което ще доведе до взривяване на вентилния отвод. В Таблица 10-1 са показани типови изисквания за МОВА СрН (Uн = 10 kV). Таблица 10-1 № Технически характеристики 1 2 Мярка Стойност Предложение 3 4 5 І. Общи данни 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Производител Тип – означение Базов стандарт Гаранционен срок Начин на монтаж Начин на свързване ІІ. Електрически параметри 2.1 Номинално напрежение (UR) месеци kV IEC 60099-4 12 външен Фаза-земя 12 ÷ 12,5 167 2.2 2.3 2.4 Номинална честота Hz Трайно работно напрежение (UC) kV Издръжливост на пренапрежение 50 Hz kV за 10 sec, след натоварване 2.5 Номинален разряден ток 8/20 s kA 2.6 Остатъчно напрежение при : 2.6.1 kV - разряден ток 10 kA, 1/2 s 2.6.2 kV - разряден ток 10 kА, 8/20 s 2.6.3 kV - разряден ток 0,5 kA, 30/60 s 2.7 Издръжливост на токов импулс 4/10 s kA 2.8 Издръжливост на токов импулс 2 ms A 2.9 Разряден клас 2.10 Енергийна способност – при два kJ/kV(UС) импулса 2 ms, съгл. Клауза 8.5.5 на IEC 60099-4 2.11 Клас по ток на к.с., 0,2 s kA 2.12 Ниво на частични разряди съгл. pC IEC60270 ІІІ. Механични параметри 3.1 Статично натоварване на огъване N 3.2 Динамично натоварване на огъване N ІV. Конструктивни параметри 4.1 Тип 4.2 Вид и тип на външната изолация 4.3 Минимален път на утечка по mm повърхността на външната изолация 4.4 Брой модули бр. 4.5 Вид и тип на присъединителните клеми 4.5.1 - към фаза 4.5.2 - към земя 50 10 12,5 10 40 35 25 100 500 2 5 20 5 300 450 металоокисен силикон 300 1 Клема проводник Болт за Изпитване на МОВО За разлика от вентилните отводи с искрови междини тук е възможно да се измерва токът на вентилния отвод при различни въздействия. Основни промени в нелинейните елементи на вентилните отводи могат да настъпят в резултат на: - топлинен пробив от претоварване или изчерпване на ресурса; - разхерметизация и повишаване на влажността; - неравномерно разпределение на напрежението. При нормална работа през вентилните отводи протича капацитивен ток. При повисоки напрежения нараства активната компонента на тока, което довежда до рязко повишение на висшите хармоници в тока. При високи напрежения токът активен. При нормално напрежение могат да се контролират следните параметри: 168 - диелектрични загуби; - наличие на висши хармоници; - температура на вентилния отвод. Измерване на диелектричните загуби и ток на проводимостта При наличие на влага съществено ще се измени токът на проводимостта и диелектричните загуби. Схемата на измерване на tg на вентилния отвод в експлоатация е показана на фиг. 10-8. P1 P2 BO C HT R3 C4 AT R4 фиг. 10-8. Мостова схема за измерване на tg Възможно е да се прилага и схемата със синхронен изправител. Измерването на тока на проводимоста се реализира по схемата показана на фигура 10-9. Нормите за отделните типове вентилни отводи се определят от волтамперните им характеристики, задавани от завода производител. фиг. 10-9. Схема на измерване на проводимостта на МОВО Измерване на висшите хармоници в тока на вентилния отвод при номинално напрежение. При изменение на разпределението на напрежението на вентилния отвод се променят най-чувствително амплитудата на висшите хармоници. Схемата на измерване изисква анализатор на хармонични съставящи до 31 хармоник на основната честота. На неговия вход се подава сигнал от индуционен датчик обхващащ заземителния проводник на вентилния отвод. От особено значение е наличието от 5-ти до 11-ти хармоници. Измерване на температурата на вентилния отвод по зони. Когато някой от елементите на вентилния отвод е променил характеристиките си в смисъла на повишена проводимост, неговата температура ще бъде по-ниска. Това може да се регистрира с термовизионна камера. Този начин на диагностика е 169 подходящ със своята бърза реализация. За съжаление точността му не е висока и не може да представлява критерий за бракуване на вентилния отвод. На фиг. 10-10 е показана инфрачервена снимка на МОВО. фиг. 10-10. Снимка направена с термовизионна камера. 170 11. Изпитване на изолацията на съоръженията за високо напрежение Основни понятия и определения Изолацията на съоръженията за високо напрежение се конструира така, че да работи безотказно през срока на експлоатация, който за различните съоръжения е 10-20 или повече години. Чрез съвременните познания на процесите, развиващи се в електрическите изолации, познаването на качествата на различните видове изолационни материали, въздействащите пренапрежения амплитуда и вероятност за поява, довеждат до създаване на задоволително точни методи за оразмеряването на изолациите. Въведените модерните технологии на производството на електрическите изолации, съчетани с мониторинг по време на експлоатацията, както и поддържането на редица параметри, осигуряват високо качество на произвежданите съоръжения. Опитът показва, че качествата на изолациите за високо напрежение се влияят силно от слаби отклонения както в качеството на използваните материали, така и от технологичния режим при производство. Характеристиките на изолацията – особено изолационното съпротивление и пробивното напрежение имат статистически характер с големи разсейвания. По тези причини качеството на изолацията на изработените съоръжения и осигуряване на надеждността им в експлоатацията може да стане единствено чрез извършване на редица изпитвания още по време на производството им. Електричната изолацията на съоръженията за ВН се поставя в условия близки до експлоатационните като се подлага на редица въздействия – работно напрежение, пренапрежения, промени в температурата, вибрации влага и др., който бавно влошават качествата й до пълно разрушаване. Процесът е известен като „стареене“ на изолацията и се следи още при конструирането и производството на съоръженията. Трябва да се има предвид, че стареенето на изолацията под едновременно действие на различни фактори не е достатъчно изучено. От друга страна и различните фактори също имат статистически характер. Измененията в качеството на изолацията ВН в процес на експлоатация могат да се установят само чрез провеждане на различни изпитвания. Изпитванията на изолацията са необходими за изследване и разработка на нови изолационни конструкции. За тяхното състояние не може да се направи точна оценка от резултати получени от един вид изпитване. Извършват се няколко вида изпитвания и само внимателен анализ на получените от отделни видове изпитания резултати могат да послужат за окончателни заключения за състоянието на изолацията. Изпитванията на изолациите ВН може да се класират както следва: Заводски (производствени) са тези, които се извършват в процеса на производство и след изработване на цялата изолационна конструкция. Това са: изпитване на 171 качества на използваните изолационни материали – масла, лакове, пластмаси и др. Изпитване на отделни изолационни детайли и възли, изпитване на изолация на цялото изолационно съоръжение. Заводските изпитвания на цяло изработено съоръжение се разделят на контролни, типови и специални. Контролните: това са изпитвания, на които се подлага всяко производствено съоръжение или в редки случаи процент от продукцията. Контролните изпитвания включват изпитвания и измервания на показатели, които не предизвикват остатъчни изменения в изолацията. Типовите: извършват се върху няколко на брой съоръжения, които включват изпитване с повишени напрежения, често със значителна стойност, при отежнени условия (прегряване, влага и др.). Те могат да предизвикат остатъчни изменения в изолацията поради, което те се бракуват. Типови изпитвания се извършват на всеки нов тип изолационна конструкция, когато са направени изменения в конструкцията, технологичния процес или използваните материали. Извършват се и когато контролните изпитвания показват систематични недопустими отклонения на изолационните качества. Тези типови изпитвания, независимо от резултатите на контролните изпитвания, се извършват около един или два пъти в годината, за да се проверява стабилността на технологичния процес. Специални: извършват се, когато се разработва нова изолационна конструкция, или се използват нов вид изолационни материали. Този вид изпитвания се извършва със значително по-високи напрежения, при още по тежки условия (температури, вибрации, влага и др.) в сравнение с типовите изпитвания и изпитваните съоръжения или образци се бракуват. Експлоатационни изпитвания: Извършват се от въвеждането в работа на съоръженията до тяхното бракуване те биват: Пускови изпитвания – извършват се при експлоатация на съоръженията. Имат за цел да проверят дали транспорта от завода или при монтажа е минал гладко и не е имало повреди или изменения в изолацията, и се извършват от предприятието или организацията, която ще експлоатира съоръжението в зависимост от нормативните документи и от договорените отношения между предприятията. Профилактични изпитвания – извършват се периодично с цел проверка на състоянието на изолацията на съоръженията и евентуално влошаване на качествата й. Това става с напрежения, които не трябва да предизвикат отслабване на изолацията, както и допустимите стойности на измерваните величини се определят от инструкции на съответните ведомства. Единични изпитвания: Провеждат се върху всички екземпляри от изделието. Координацията на изолацията се състои в подходящ подбор на нормираните изолационни нива на съоръженията, като се имат пред вид действащите в експлоатационни условия пренапрежения и защитните характеристики на използваните средства за защита от пренапрежения. Тя 172 гарантира, че повредите от пренапрежения ще бъдат ограничени до един технически и икономически оправдан минимум. Ефективност на изпитванията на изолацията. Цел на всеки вид изпитване е да открие има ли повреда или влошаване на някои качества на изолацията. Отделните методи се преценяват с коефициент на ефективност kеф. Електрическите изпитвания на изолацията често се подразделят на „опасни“ и „безопасни“, напрежения. Опасни: за изолация са изпитвания с напрежения, по-високи от работните. Безопасни: напрежения по-ниски от работните. Това разделяне е условно, защото някои изпитвания – например измерването на tgδ за някои съоръжения се извършва при напрежение два пъти номиналното, а за други при напрежения много по-ниски от номиналните. 12. Процеси в многослойна изолация при постоянно и променливо напрежение 12.1. Постоянно напрежение Повечето изолационни конструкции имат изолация, съставена от няколко слоя различни диелектрици. На фиг. 12-1 е показан простият случай на двуслойна изолация. Всеки слой се характеризира със своята дебелина , площ , относителна диелектрична проницаемост и специфична проводимост . Ако към показаната на фигурата изолация бъде подадено внезапно постоянно напрежение , ще протече много краткотраен ток от зареждане на геометричния капацитет на изолацията и от токовете на бързите електронна, йонна и диполно релаксационни поляризации. Големината му ще бъде вн = . вн , където е съпротивлението на външната верига; капацитетът на вн – изолацията в условията на изброените поляризации. Този ток често се нарича внезапен или мигновен, защото затихва за много кратко време. В момента след включването, напрежението ще се разпредели между двата слоя в фиг. 12-1. Двуслойна изолация зависимост от капацитетите им (наречени внезапни капацитети), като стойностите на началните напрежения ще бъдат н = . ⁄( + )и н = . ⁄( + ), 12-1) 173 = ε . S⁄ Където: и = ε . S⁄ На електродите на изолацията ще се натрупа заряд = . = 1. 2 ⁄( 1 + 2 ), 12-2) където е капацитетът на изолацията, съставен от капацитетите на последователно свързаните два слоя. Зарядите на двата слоя ще бъдат = 1 . 1н = 2 . 2н 12-3) Веднага след включване на напрежението и получаване на началното разпределение ще започне преходен процес, който ще завърши с установяване на крайни стойности на напреженията. = н = н Крайните напрежения ще се определят от съпротивленията на слоевете, като = к . ⁄( + ) и = к . ⁄( + ), където = ⁄( . ) и = ⁄( . ). На фиг. 12-2 са показани началните и крайни напрежения при > и > . В преходния процес се извършва преразпределяне на зарядите по фиг. 12-2. Двуслойна изолация с начално и крайно граничния слой между двата слоя разпределение на напрежението след включване на изолацията, известен като към постоянно напрежение междуслойна поляризация. През диелектрика и външната верига по време на преходния процес ще протича ток, чиято стойност ще бъде абс = Където абс абс ( . 12-4) ( . ) ( . ). ) и ( ) ( ) Токът абс е получил името абсорбционен ток, а междуслойната поляризация, при която на граничния слой между двата диелектрика се натрупват заряди, се нарича абсорбция. Натрупания заряд ще бъде абс = . ( 1 . C1 − 2 . C2 )⁄( 1 + 2 ) В реалните изолационни конструкции, където изолацията се състои от повече слоеве, токът на абсорбцията е резултантен от токове с различни времеконстанти и може да се изрази със зависимост от вида абс = . , където А и n са константи. Времеконстантата на затихване на абсорбционния ток за различни изолационни конструкции е от секунди до десетки минути. След затихване на абсорбционния ток през изолацията остава да протича токът на 174 активната проводимост пр = ⁄ = ⁄( + ), който е постоянен и не зависи от времето. Развитието на токовете през изолацията с течение на времето е показано на фиг. 12-3. Ако изводите на изолацията след затихване на абсорбционните процеси се свържат на късо, зарядите на двата слоя веднага ще се разпределят обратно на капацитета им, след което ще започнат да се разреждат през съпротивлението на изолацията. Ще протече същият абсорбционен ток, но с обратен знак, до пълното му затихване. При условие, че свързването на късо трае много кратко време ще се възникне следният процес. В момента на к.с. геометричният капацитет на цялата изолация ще се разреди веднага до нула, но зарядите на абсорбцията, натрупани по повърхността между двата слоя в първия момент няма да се променят. фиг. 12-3. Изменения на тока и капацитета на многослойна изолация след включване към постоянно напрежение Двата слоя се оказват свързани в паралел и ще се заредят от заряда на абсорбцията до напрежение = абс ⁄(C1 + C2 )като U н = + 0 и U н = − 0 (общото напрежение на изолацията докато трае к.с. е U н + U н = 0. След премахване на к.с. двата слоя на изолацията отново се оказват свързани последователно. Зарядите на всеки слой започват да се неутрализират през съпротивленията на изолацията им и , като на изводите на цялата изолация ще се появи напрежение наречено възвратно напрежение – фиг.12-4, като възвр. = + =( абс C1 +C2 ) 2 .C2 − 1 .C1 12-5) 175 Стойността на възвр. зависи от степента на нееднородност на изолацията и съпротивлението на отделните слоеве и може да се използва като метод за изпитване на изолацията. Капацитетът на многослойна изолация при включване към постоянно напрежение се изменя с течение на времето. В момента на включване на напрежението се зарежда без закъснение геометричният капацитет . на изолацията Г = (фиг. 12-3). Поради наличието на бързите електронна, йонна и диполно релаксационни поляризации, много фиг. 12-4. Възвратно напрежение на бързо /10 − 10 / на електродите се двуслойна изолация натрупват допълнителни заряди и за двуслойния диелектрик от фиг 12-1 практически измереният капацитет (след затихване на изброените поляризации) се . нарича условно внезапен капацитет и ще бъде вн = . (C1 +C2 ) Наличието на междуслоеста поляризация /абсорбция/ предизвиква натрупването на допълнителния заряд абс и води до увеличаване на капацитета с допълнителния капацитета д . След затихване на абсорбционния ток се получава физическият капацитет на изолацията ф = вн + д . Това е показано на фиг. 12-3. 12.2. Променливо напрежение Подлагането на изолацията на променливо напрежение води до протичане през нея на активен ток, предизвикан от проводимостта и реалната компонента от поляризациите на изолацията и на капацитивен ток от зареждане на геометричния капацитет и имагинерната компонента на поляризациите (електронна, йонна и диполно-релаксационна). В диелектрика се отделя енергия (топлина), която може да достигне недопустими стойности и да разруши изолацията. Тази енергия се нарича диелектрични загуби. Тяхната стойност е = . . , където е приложеното променливо напрежение; – ъглова честота; - капацитетът; – тангенсът на ъгъла на диелектричните загуби. Тангенсът от ъгъла на диелектричните загуби е отношението на активния и капацитивен ток през изолацията [10] = = . . . . = Където е реалната компонента и диелектрична проницаемост. . . + 12-6) – имагинерната компонента на комплексната не зависи от геометричните размери на изолацията. Неговата стойност зависи 176 главно от общото състояние на изолацията. Измерването му може да даде представа за различни промени в нея. В преобладаващите комбинирани многослойни изолации стойността на измерения ъгъл на диелектричните загуби ще зависи от дяла, който внасят отделните слоеве. На фиг. 12-5 а) и б) са показани два случая на двуслойна изолация - а) изобразява случай на два слоя диелектрик, успоредни на силовите линии на полето. Това е случай също и когато част от диелектрика в еднородна изолация е овлажнена по цялата си дебелина на площ . Измерената стойност на ще бъде [3] фиг. 12-5. Видове двуслойна изолация = . . . .( . Където: = . обем изолация. . . и =( ) . = . . . . ) . . +( . . ) . 12-7) са отношенията на обемите на двата слоя към целия Случаят от фиг. 12-5 б) изобразява двуслойна изолация, като слоевете са перпендикулярни на полето. След редица изчисления, които не се разглеждат тук, се получава изразът [3] . . . . ( ) . . . ( ) Където: = . обем изолация. . и = . . . . . . ( . . . ) ( 12-8) ) са отношенията на обемите на двата слоя към целия Изложените примери показват, че при сложни изолации измерените стойности на общия ще се влияят силно от обемните съотношения на слоевете на изолацията, които имат различаващи се стойности на . Капацитетът на изолацията при променливо напрежение се нарича ефективен капацитет еф . Той се различава от физическия капацитет ф при постоянно напрежение и се дава с израза еф = вн + д ( ) , където вн и д са внезапният и допълнителен капацитет, пояснени в т.12.1., – ъгловата честота на приложеното напрежение. τ – времеконстантата на междуслоестата поляризация (ако тя е една). Зависимостта на капацитета от честотата е показана на фиг. 12-6. При ниски честоти капацитетът д има време да се зареди до пълната си стойност, докато при 177 високи честоти, времето на един полупериод е недостатъчно за завършване на процеса на зареждане и еф намалява. По същия начин влияе времеконстантата на междуслоестата поляризация. фиг. 12-6. Видове двуслойна изолация 12.3. Дефекти в изолацията Идеална изолация е само въздушната (самовъзстановяващата се). Всяка друга твърда електрична изолация е съпътствана от дефекти в кристалната решетка Те предизвикват наличието на проводимост на диелектрика. Подобна е ситуацията и при останалите видове изолация в т.ч. и течната. Тези несъвършенства на изолациите на атомно и молекулярно ниво не могат да се смятат за дефекти. Те определят основните характеристики на изолационните материали и конструкции – , , tgδ, пр и зависят от нивото на технологията за производство на изолационните материали и конструкции. Нарушаване на технологичните режими води до увеличаване на количеството на примесите на атомно и молекулярно ниво и води до забележимо изменение на изолационните характеристики. Такива изменения настъпват и в процеса на експлоатацията. Появяват се нови примеси поради химически реакции или овлажняване от околната атмосфера. Освен описаните несъвършенства в структурата на изолацията съществуват и нееднородности с по-големи размери. Това са по-големи частици - коагуланти с размери 103А в течностите и газови мехурчета в тях; кухини и микропукнатини в твърдите изолации с размери до µm. Те също могат да се образуват в процесите на производство и експлоатация. Дефектите в изолациите могат да имат още поголеми размери – , , до засягане на цялата дебелина на изолацията - това са големи газови включване, пукнатини в твърдите изолации – дендрити, пробиви на цели слоеве от изолацията и др. Те също може да се получат в процесите на производство и експлоатация. Дефектите в изолациите за ВН е прието да се разделят на Р А З П Р Е Д Е Л Е Н И и С Ъ С Р Е Д О Т О Ч Е Н И. Р А З П Р Е Д Е Л Е Н И се наричат дефектите, които засягат целия обем на изолацията. Това са дефекти на атомно и молекулярно ниво – недопустимо 178 количество примеси в изолацията получени в производството на различните твърди изолационни материали, разтворена вода, колоидни примеси в трансформаторното масло, или с още по-големи размери – газови включвания разпределени сравнително равномерно в цялата твърда изолация. С Ъ С Р Е Д О Т О Ч Е Н И Д Е Ф Е К Т И са тези дефекти, които засягат част от обема или дебелината на изолацията – единични газови включвания, пукнатини, дендрити, непълни пробиви, овлажняване и химически промени, съсредоточени в част от изолацията по посока на слоевете и или по посока на електричното поле (обикновено по част от разстоянието между електрода). 13. Методи за изпитване на електричната изолация за високо напрежение. 13.1. Изпитване с повишено напрежение Изпитването с повишено напрежение е основен метод при заводските, експлоатационни и изследователски изпитвания. Цел на изпитването е проверка главно на краткотрайната електрична якост, т.е. способността на изолацията да издържа пренапреженията – атмосферни, комутационни и установени пренапрежения. Проверка на дълготрайната електрична якост, т.е. способността на изолацията да издържа работното напрежение, се извършва рядко с повишени напрежения и то при изследователски изпитвания на нови типове изолационни конструкции. В този случай изпитванията се извършват за дълъг период от време - месеци до години. Изпитването с повишени напрежения често се нарича и изпитване с "опасни напрежения", защото в изолацията е възможно да настъпят необратими промени, дори и пробив. При заводските контролни изпитвания, както и при експлоатационните изпитвания е недопустимо в изолацията да настъпят необратими процеси и тези изпитвания се извършват, след като изолацията е доказала качествата си при другите изпитвания. Изборът на стойностите на изпитвателните напрежения трябва да удовлетворява противоречиви изисквания. От една страна, високи изпитвателни напрежения ще откриват по-голям брой дефекти в изолацията, но не е изключено да се предизвикат необратими процеси в изолацията, та дори и пробив на здрави съоръжения. От друга страна, ниски изпитвателни напрежения няма да могат да откриват голям брой от повредите на изолацията. Изборът на изпитвателните напрежения влияе силно върху коефициента на ефективност на изпитванията. На фиг. е показано разпределението на пробивните напрежения на здрава и повредена изолация. Нека от една група съоръжения с общ брой , повр. е броят на съоръженията, които имат повреди, водещи до намаляване на разрядното им или пробивно напрежение, 179 а nздр е броят на здравите съоръжения. Те се характеризират с функциите на разпределение на пробивните напрежения F(Uпр)повр и нейната 50 % стойност - Uпр 50 % повр за повредените съоръжения и с F(Uпр)здр и Uпр50% здр за здравите съоръжения. Избор на изпитвателно напрежение със стойност Uизп (фиг. 13-1) ще доведе до откриване при изпитването на В % от повредените съоръжения, като 100 - В % от повредените съоръжения няма да бъдат открити. Едновременно с това при изпитването ще бъде предизвикан пробив в А % от съоръженията, на които изолацията е здрава. Ако се увеличи стойността на изпитвателните напрежения, ще се увеличи коефициентът на ефективност на изпитването, но ще се увеличи броят на повредените при изпитването здрави съоръжения. Ако се намали стойността на изпитвателното напрежение, ще се намали броят на повредените при изпитването здрави съоръжения, но ще се намали и броят на откритите при изпитването повреди. Определянето на стойността на изпитвателното напрежение трябва да се извършва много внимателно, като се отчитат редица фактори, изложени по-долу. фиг. 13-1. Разпределение на пробивните напрежения на здрава и повредена изолация Изпитване с повишено напрежение с промишлена честота Изпитването има за основна цел проверка на краткотрайната електрична якост при действие на комутационните пренапрежения. Само при изследователски изпитвания с продължително прилагане на напрежението могат да се получат сведения за дълготрайната електрична якост на изолацията. Изборът на стойностите на изпитвателните напрежения се съобразява с кратността на комутационните пренапрежения, с трайността им и с комулативния ефект (остатъчните изменения), предизвикани от пренапреженията и стареенето на изолацията в експлоатацията по следния начин [1]. Определя се изчислителната стойност на комутационните пренапрежения пр = п МТР 13-1) Където: п е изчислителната кратност на комутационните пренапрежения, а максималното трайно работно напрежение на изолацията (Таблица ). МТР – Ако се изпитва вътрешната изолация, изпитвателното напрежение се определя като 180 изп. = пр . к⁄ и 13-2) Където: к = 1,1 − 1,15 е коефициентът, отчитащ комулативния ефект, и = 1,3 импулсният коефициент, отчитащ по-високата електрична якост при комутационните пренапрежения в сравнение с якостта при променливо напрежение с промишлена честота. Изпитвателното напрежение се повишава с произволна скорост или се включва с удар до стойности не по-високи от (1/3. изп. ), след което плавно и бързо се повишава до изп. . Напрежението изп. се задържа в продължение на 1 мин (за някои съоръжения 5 мин), намалява се бързо до (1/3. изп. ) и се изключва. Ако се изпитва външна изолация се извършват два вида изпитвания - в сухо състояние и под изкуствен дъжд със стандартни характеристики. Изпитвателните напрежения за суха изолация се определят с израза : изп. = пр ⁄0,84 13-3) а за мокра изолация под изкуствен дъжд - с изп. = пр ⁄( и ) където и = 1,1 е коефициентът на импулса : измененията на плътността на въздуха. 13-4) = 0,94 - коефициентът, отчитащ Изпитването на външната изолация се извършва трикратно, като напрежението се повишава плавно до изпитвателното и без задържане се намалява. Изпитването с повишени променливи напрежения с промишлена честота изисква специални уредби. Мощността, необходима за изпитването на вътрешна изолация и суха външна изолация се определя главно от капацитета на изпитвания обект. Съоръжения с голям капацитет - например силови кабели изискват много мощни изпитвателни уредби. За такива случаи стандартите разрешават изпитването да се извършва с постоянно напрежение. На практика повечето профилактични изпитвания с повишено напрежение в експлоатацията се извършват с изправени напрежения, а напоследък се използва т.н. бавно изменящо се напрежение (0,1 Hz). За съоръжения с номинални напрежения над 220 кV е установено, че изпитването с повишени напрежения с промишлена честота е по-опасно от действителните комутационни пренапрежения. В такива случаи се предвиждат изпитвания с апериодични или колебателно затихващи импулси, произвеждани от специални уредби. В таблица 13-1 са дадени изпитвателните напрежения с промишлена честота за различни съоръжения с номинални напрежения до 220 kV. Изпитването с повишено променливо напрежение с промишлена честота позволява откриването на местни дефекти със значителни размери във вътрешната изолация, както и на намалени или неправилно оразмерени изолационни разстояния по външната изолация. Съвременна тенденция е съчетаването на изпитването с повишено напрежение с промишлена честота при заводските изпитвания с 181 измерване на частичните разряди, което силно повишава коефициента на ефективност от изпитването. Таблица 13-1 kVeff Uн/UМТР 3,0/3,6 6,0/7,2 10,0/12,0 15,0/17,5 20,0/24,0 35,0/40,0 110/121 220/242 Изпитвателно напрежение kVeff Външна изолация – плавно повишаване Едноминутно изпитване Суха изолация Под дъжд СТ НТ ТТ И ЕА И ЕА 18 24 24 25 26 27 20 25 32 32 32 34 36 26 35 42 42 42 45 47 34 45 55 55 57 60 63 45 55 65 65 68 70 75 55 85 95 95 100 105 110 85 200 200 250 265 280 295 215 325 400 470 495 465 550 425 СТ – силови трансформатори; НТ – напреженови трансформатори; ТТ – токови трансформатори; И – изолатори изпитвани отделно; ЕА – електрически апарати. Изпитване с повишено постоянно напрежение Изпитването с постоянно напрежение има най-голямо приложение при профилактичните изпитвания. Причината е, че големият капацитет на повечето съоръжения изисква много мощни уредби за 50 Hz, които не могат да се пренасят до изпитваните съоръжения. При изпитването с постоянно напрежение протича само активният ток на проводимостта. Използваните уредби са с малки размери и тегло. Изпитването с повишено постоянно напрежение има следните предимства: В изолацията се отделят само диелектричните загуби от активната проводимост, не се развиват интензивни частични разряди, поради което се намалява опасността от необратими промени в изолацията, предизвикани от изпитването. Могат да се използват 2-3 пъти по-високи изпитвателни напрежения, сравнени с тези при изпитване с напрежение с промишлена честота Едновременно с изпитването с повишено напрежение може да се измерва токът на проводимостта, времето на саморазряд, които дават допълнителни сведения за състоянието на изолацията. Изпитването на многослойните изолации с повишено постоянно напрежение има недостатъка, че напрежението се разпределя между отделните слоеве в зависимост от съпротивленията им, а не както при променливо напрежение и пренапрежения в 182 зависимост от капацитети им. Някои от слоевете може да се окажат с недостатъчно приложено напрежение, което намалява ефективността от изпитването. Изпитването с повишено постоянно напрежение позволява откриването на общо влошаване на изолацията - овлажняване, остаряване, които предизвикват забележимо увеличаване на тока на проводимостта. Позволява откриване и на силно изразени местни дефекти, довели до значително намаляване на пробивните напрежения. Коефициентът на ефективност от изпитването с повишени постоянни напрежения е нисък. Това е особено характерно при изпитването на съвременните силови кабели с пластмасова изолация. Изпитване с импулсно напрежение Изпитването има за цел проверка на електричната якост при въздействие на атмосферни пренапрежения. Извършва се с пълна стандартна вълна с форма 1,2/50μs, а също и със срязана импулсна вълна при време на срязване 2-3 μs. Извършва се само при заводските изпитвания. Изпитването на вътрешната изолация се извършва, като на съоръжението се подават три вълни с изпитвателното напрежение. Стойността на изпитвателното напрежение зависи от амплитудата на атмосферните пренапрежения, ограничени от действието на вентилните отводи. Определя се по следния начин. За основа се използва изчислителната стойност на атмосферните пренапрежения съгласно израза: изчимп където ост = 1,1 ост + 15 13-5) е остатъчното напрежение на вентилните отводи. Изпитвателното импулсно напрежение с пълна вълна е: изпимп = 1,1 изчимп , 13-6) а със срязана вълна: изпимп = (1,2 ÷ 1,25) изчимп 13-7) Изпитването на външната изолация се извършва с прилагане на петнадесет импулса с изпитвателно напрежение. изпимп = изчимп ⁄0,84 13-8) В таблица 13-2 са дадени изпитвателните импулсни напрежения с пълна и срязана вълна за различни съоръжения. За външна изолация посочените стойности се отнасят за нормални атмосферни условия. За конкретните условия е необходимо да се извърши корекция в зависимост от действителната температура, налягане и влажност на въздуха. Таблица 13-2 kVeff Uн/UМТР Изпитвателно напрежение kVeff Вътрешна изолация Външна изолация ЕА СТ ШР НТ ЕА СТ И 183 3,0/3,6 6,0/7,2 10,0/12,0 15,0/17,5 20,0/24,0 35,0/40,0 110/121 220/242 42/50 57/70 75/90 100/120 120/150 180/225 425/550 835/1090 44/50 57/70 75/90 100/120 120/150 180/225 425/550 835/1090 42/50 57/70 75/90 100/120 120/150 185/230 460/570 900/1300 690/860 44/52 60/73 80/100 105/125 125/158 195/240 480/600 950/1190 13.2. Измерване на съпротивлението на изолацията и на коефициента на абсорбция Измерването на съпротивлението на изолацията е основен метод за изпитване. Извършва се с постоянно напрежение. Измервателните уреди се наричат мегаомметри и представляват източник на постоянно напрежение със стойност 2,5; 5 или 10 kV и уред, отчитащ стойността на съпротивлението. Измерването се извършва след затихване на преходните процеси (абсорбционния ток). Измерената стойност из = ⁄ пр . За съоръжения ВН обикновено има стойност 106 – 1010 Ω. Абсолютната стойност на изолационното съпротивлението не може да служи като основен критерий за състоянието на изолацията по следните причини: Еднотипни съоръжения, дори съоръжения от една и съща производствена серия могат да имат различни изолационни съпротивления, без изолацията им да има дефекти Изолационното съпротивление зависи силно от температурата, като привеждането към една температура не винаги дава достатъчно данни за коректно сравнение; Местни дефекти в изолацията, както и силно влошаване на изолацията на отделни слоеве при многослойните изолации могат да предизвикат слабо намаляване на общото изолационно съпротивление на изолацията, ако останалите здрави слоеве имат високо изолационно съпротивление. За някои съоръжения се нормират минимално допустими стойности на изолационното съпротивление както за нови съоръжения, така и за съоръжения, които са били в експлоатация. Изменението на изолационното съпротивление с течение на времето е основен критерий при профилактичните изпитания. Намаляването му е сигурен показател за общо влошаване на изолацията (овлажняване, химическо стареене) или за развиващи се значителни местни дефекти. Много повече сведения за съостоянието на изолацията дава така нареченият коефициент на абсорбцията. Той е отношението на стойността на съпротивлението на изолацията след затихване на преходните процеси (абсорбцията) и стойността на съпротивлението веднага след въздействието на постоянното напрежение, т.е. 184 = абс из из = пр абс пр = 1+ абс 13-9) пр Изменението на съпротивлението на изолацията, както и на тока на проводимостта е показано на фиг. 12.2 8 R∞ Rиз ; iпр 7 R60 Rиз 6 5R15 4 I15 3 iпр 2I60 I 1пр 0 0 0 15 s 20 40 60 60 s 80 100 120 t,s фиг. 13-2. Изменение на тока на проводимостта и на съпротивлението в зависимост от времето при многослойна изолация Практически у нас са възприети удобните за измерване стойности на изолационното съпротивление - 15 s след подаване на напрежението, означавано като R15 , и 60 s след подаване на напрежението, означавано като R60. При тези условия коефициентът на абсорбция се определя като абс = = 13-10) Общо влошаване на качествата на изолацията, главно поради овлажняване, както и големи местни дефекти намаляват повече времето на затихване на процесите на абсорбция и следователно абс , отколкото се намалява Rиз. Това се пояснява с фиг. 13-3. Коефициентът на абсорбция абс се влияе по-слабо от температурата, отколкото Rиз. Стойността абс > 1, като за изправни изолации на силови трансформатори мощни въртящи машини силови хартиени – маслени кабели има стойност 2 ÷ 4. Овлажняване на изолацията го намалява. Опитно е установена минимално допустимата стойност абс = 1,3. При измерването на абс трябва да се има предвид, че за някои съоръжения, като измервателни и малки силови трансформатори абсорбционните явления, дори при изправна изолация затихват за време под 60 s, така че измерването на абс няма смисъл. 185 R9из 8 Rиз1 R60 1 R60 72 Rиз2 6 R15 2 5 4 R315 1 2 1 0 00 15 2S 4 6 8 60 s 10 12 t, s 14 фиг. 13-3. Изменение на изолационното съпротивление от времето 13.3. Измерване на тока на проводимостта Извършва се при изпитването с високо постоянно напрежение. От гл.т. на физиката, не се различава от измерването на изолационното съпротивление. Обикновено се измерва токът на проводимостта при няколко стойности на напрежението. На всяко ниво на напрежението се отчита токът на проводимостта след затихване на абсорбцията. Желателни са и междинни измервания за контрол на скоростта на затихване абсорбционния ток. Измерването на тока на проводимостта при приложено на изолацията високо постоянно напрежение позволява откриването на общо влошаване на изолацията – например овлажняване, силно развити местни дефекти. Увеличаването на тока на проводимостта с времето при неизменна стойност на напрежението е показател за развиваща се местна повреда. В такъв случай, според вида на изпитваното съоръжение, изпитването може да се прекрати или продължи до пробив. Силно нелинейно нарастване на тока на проводимостта с нарастване на напрежението също е указание за наличие на местни повреди в изолацията фиг.134. 186 фиг. 13-4. Ток на проводимостта в зависимост от приложеното постоянно напрежение за „здрава“-1 и „повредена“-2 изолация 13.4. Измерване на времето за саморазряд Изпитването се извършва след изпитване с повишено постоянно напрежение. Изпитваният обект се изключва от напрежението с разединител. Измерва се намаляването на напрежението на изпитваното съоръжение с течение на времето. Необходимо е използването на волтметър с пренебрежимо малко консумация – електростатичен. След изключването, напрежението на еднородните изолации намаляжа съгласни израза = . 13-11) . където U е напрежението от което се изключва изолацята,R,C са съответно съпротивлението и капацитетът на изолацията. Ако изолацията е многослойна, намаляването на напрежението става съответно съгласно израза = .∑ . . 13-12) Където = ∑ , , са съпротивленията и капацитетите на отделните слоеве. Изпитването позволява откриване на общо влошаване на изолацията и силно развити местни повреди в многослойната изолация. 13.5. Измерване на възвратно напрежение Използва се явлението, описано в т.12.1 и фиг.12-4. Неравномерно овлажняване на 187 слоевете от многослойна изолация предизвиква увеличаване на Uвъзвр, но общо овлажняване на цялата изолация води до намаляване на Uвъзвр. По тази причина измерването на възвратното напрежение не може да се използва като самостоятелен метод на измерване, а се изпитва съвместно с други изпитания. 13.6. Измерване на tg Максималните допустими стойности на tgδ при определени стойности на напреженията се нормират за редица съоръжения – например кабели, кондензатори, трансформатори. Измерването се извършва при заводските изпитвания и служи за контрол на общото състояние на изолацията – химически състав, степен на изсушаване на изолацията . Измерването се извършва както при различни напрежения, така и при различни температури. За измерването се използва „Шерингов мост“. Ако изпитваното съоръжение може да се изолира от потенциала на земята, се използва схема от фиг. 12.5а. Ако изпитваното съоръжение е трайно заземено с единия си извод и не е възможно отземяването му, се използва „обърната“ схема от фиг. 12.5б фиг. 13-5. Шерингов мост а) – нормална схема; б) – обърната схема. Измерването на tgδ се извършва и при профилактични изпитвания. Увеличаване на tgδ се предизвиква и от общо влошаване на изолацията- остаряване ,химически промени, овлажняване. При многослойни изолации влошаване на някой от слоевете се открива, ако обемното съотношение между повредената изолация и цялата изолация има значителна стойност, това се вижда на фиг.12-3. Същото се отнася и за развити местни повреди. Силно нарастване на tgδ след дадена стойност на напрежението говори за развитие на интензивни частични разряди. 13.7. Измерване на капацитета Измерване на абсолютната стойност на капацитета се извършва за много съоръжения при заводските изпитвания. 188 Измерването на капацитета при профилактични изпитвания може да служи за установяване на промени в изолацията, ако резултатите се сравняват с предишни измервания, извършвани при същата температура. Увеличаване на капацитета на силови кондензатори се причинява от пробив на секции (ако са свързани последователно), а намаляване на капацитета е показател за прекъсване на връзки за кондензатора. Много по–съществен показател за състоянието на изолацията се получава от измерването на капацитета при различни честоти или температури. Капацитетът намалява с увеличаване на честотата. Обикновено се извършват измервания при две честоти – 2 Hz и 50 Hz. Ако изолацията е суха, двете измерени стойности на капацитета се различават незначително. Ако изолацията е влажна, се намалява времеконстантата на междуслоестата поляризация и разликата в измерените стойности е значителна. За изолацията например на силовите трансформатори при С / < 1,2 ÷ 1,3 се смята, че изолацията е суха, а за С / > 1,3 изолацията е овлажнена. Увеличаването на температурата увеличава слабо капацитета на сухите многослойни изолации. Ако изолацията е овлажнена, увеличената проводимост намалява времеконстантата на междуслоестата поляризация и измереният капацитет при по-висока температура е по – голям. Измерването е подходящо за силови трансформатори при профилактичните изпитвания. Измерва се капацитетът непосредствено след изключване на трансформатора, когато температурата му е около 80° C и след като изстине – при около 20° C. Ако С / > 1,3 , се смята, че изолацята му е овлажнена. 13.8. Измерване на радиосмущенията от съоръжения за високо напрежение. Правилното функциониране на съвременните съобщителни връзки (радио, телевизия, високочестотни канали за релейна защита и др.) често е засегнато от високочестотни смущения от съоръженията за високи напрежения. Значителна част от тях се предизвикват от коронирането на електропроводите, шинни системи в подстанциите, интензивни частични разряди, опорни и проходни изолатори. За измерване на радиосмущенията се използват специални уреди. Тези уреди са изградени от две части първата е тази която приема смущението и го обработва, а втората е измервателна. Първата част се състои от радиоприемник. Входящия импеданс на уредите е 60 Ω, 75 Ω или 150 Ω. Уредите позволяват настройка на честотния обхват тъй като става въпрос за радиосмущения предизвикани от уредби от високо напрежение, което ни подсказва че са в обхвата от МHz. Измервателната част на уреда се състои от електронен волтметър със специална характеристика, съобразена с качествата на човешкото ухо. Тези причини ни дават нуждата от използването на специални проводници, при поставянето на съобщителни линии, с цел намаляването на тези смущения. Някои от разновидностите използвани при интернет кабелите се наричат STP (Shielded twisted pair), FTP(Foiled twisted paid), 189 SFTP(Shielded and foiled twisted paid). Според нуждите се използва подходящата степен на защита. фиг. 13-6. Принципна схема на уред за измерване на радиосмущения На фиг. 13-6 е изобразена принципна схема на уред за измерване на радиосмущения със следните съставни части: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Съгласуван входящ делител Настройван филтър Настройван усилвател Смесител Хетеродин Лентов филтър Усилвател на междинна честота Измервателен уред Показващ уред В зависимост от нуждата се използват следните схеми за измерване на радиосмущения. а) б) фиг. 13-7. Принципна схема за измерване на радиосмущения Първата от тях (фиг.13-7а) се използва за измерване на радиосмущаващо напрежение в µV, създадено от изпитваното съоръжение. Втората схема се използва за измерване на радиосмущаващо поле. Уредът се свързва към съоръжението за високо напрежение с капацитет Cx > 1000 pF и се измерва радиосмущаващо поле в µV/m. Входът на уреда се свързва към измервателна антена. Източник на високочестотни електромагнитни излъчвания в обхвата на 190 радиочестотите е ефектът корона. Силата на полезния сигнал S на радио- или телевизионно предаване и силата на шума N се определят в децибели над 1 µV/m според формулите: = 20 = 20 ∗ , ∗ , кадето S*, N* са силата на сигнала и на шума и се измерват в µV/m. Нивото на смущенията зависи от параметрите на електропровода - номинално напрежение, корона на стълба, радиус на проводниците, габарити, междуфазови разстояния. 191 ЛИТЕРАТУРА [1] Kuffel E., W. S. Zaengl, J. Kuffel. High Voltage Engineering Fundamentals, Oxford, 2000 [2] БДС EN 60270:2003 Методи за изпитване с високо напрежение. Измерване на частични разряди (IEC 60270:2000) [3] Руководящие указания по учёту потерь на корону и помех от короны при выборе проводов воздушных линий электропередачи переменного тока 330 – 750 кВ и постоянного тока 800 – 1500 кВ. М. СЦНТИ. 1975 [4] Advanced Insulation Diagnostic by Dielectric Spectroscopy, Maik Koch, Michael Krueger and Markus Puetter [5] Matz Ohlen, Megger Täby, Sweden [email protected], Peter Werelius, Megger Täby, Sweden [email protected], Dielectric Frequency Response and Temperature Dependence of Power Factor [6] E. Steennis and F. Kreuger, \Water treeing in polyethylene cables," IEEE Transactions on Electrical Insulation, vol. 25, no. 5, pp. 989-1028, 1990 [7] R. Ross, \Inception and propagation mechanisms of water treeing," IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 5, no. 5, pp. 660-680, 1998 [8] R. Ross and M. Megens, \Dielectric properties of water trees," in Proceedings of the 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials., vol. 1, 2000, pp. 455-458 [9] S. Boggs, Mechanisms for degradation of tr-xlpe impulse strength during service aging, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 17, no. 2, pp. 308-312, 2002 [10] IEC 60076-3: Power transformers – Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air., 2013. [11] Lemke E. Guide for Partial Discharge Measurements in Compliance to IEC60270. Copyright, 2008. 192
