ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ. В соответствии с программой дисциплины "Электротехнические материалы и техника высоких напряжений" студентами выполняется две контрольные работы

В соответствии с программой дисциплины "Электротехнические материалы и техника высоких напряжений" студентами выполняется две контрольные работы. Контрольная работа Я 2 посвящена решению задач, связанных с применением изоляционных конструкций и защитой электрооборудования от перенапряжений.

Для успешного выполнения контрольной работы необходимо изу­чить материалы дисциплины в соответствии с рабочей программой [1]. По каждой задаче, предлагаемой в задании, даны краткие мето­дические указания к решению. Более подробные сведения можно найти в литературе, список которой приведен в конце задания на конт­рольные работы.

Исходные данные для расчетов выбираются по двум последним цифрам учебного шифра и приводятся в условиях.на каждую задачу.

При оформлении контрольной работы необходимо соблюдать сле­дующие правила:

1. Контрольная работа оформляется в виде расчетно-поясни­тельной записки в соответствии с общими требованиями к подобным документам.

2. Графический материал выполняется на миллиметровой бумаге и подшивается к расчетно-пояснительной записке в соответствующих местах. Масштабы для графиков выбираются самостоятельно с соблю­дением ГОСТ.

3. Порядок оформления каждой задачи должен соответствовать рекомендованному в задании на контрольную работу.

4. При выполнении расчетов следует привести расчетную форму­лу, сделать подстановку численных значений и записать результат без промежуточных вычислений. При заполнении таблиц дается один пример расчета.

5. Следует давать расшифровку условных обозначений всех ве­личин, входящих в формулы. Расшифровку каждого условного обозна­чения достаточно привести один раз при его первом появлении.

.6. Все расчеты следует вести с точностью до трех значащих цифр, если она не оговаривается особо.

7. Не следует переписывать в качестве пояснений текст из ме­тодических указаний или литературных источников. Необходимые по­яснения нужно формировать самостоятельно, по возможности кратко и ясно.

Задача 1

Зависимость разрядных напряжений внешней изоляции от атмосферных условий

Воздушный промежуток изоляционной конструкции, работающей на переменной напряжении промышленной частоты, с межэлектродным расстоянием L имеет разрядное напряжение U₀ при нормальных ат­мосферных условиях. Определить разрядное напряжение воздушного промежутка при атмосферном давлении р, температуре t и абсолютной влажности воздуха .

Исходные данные

Таблица 1

Параметры	Последняя цифра учебного шифра
U0, кВ
L, м	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4	2,6	2,8	3,0
	Предпоследняя цифра учебного шифра
P, кПа
t, °С	-30	-20	-10	-30	+50	+60	+70	+50	+60	+70
, Г/м3

Методические указания к решению задачи

В изоляционных конструкциях электротехнических установок вся изоляция подразделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции относятся воздушные промежутки между про­водами разных фаз линии электропередачи, промежутки между контактами разъединителя, внешние поверхности изоляторов и т.п. Элект­рическая прочность внешней изоляции определяется пробоем проме­жутков в атмосферном воздухе или перекрытием в воздухе по поверх­ности изоляционных деталей.

К внутренней изоляции относятся, например, изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, гермети­зированная изоляция вводов и т.д. Электрическая прочность внут­ренней изоляции определяется пробоем промежутков, заполненных твердим, жидким или газообразным (не атмосферным воздухом) диэ­лектриком.

Такое подразделение изоляции связано со специфическими осо­бенностями внешней и внутренней изоляции, существенными различия­ми в методах их проектирования и испытания.

Особенностью внешней изоляции является зависимость ее электрической прочности от атмосферных условий. Разрядные нап­ряжения чисто воздушных промежутков зависят от давления, темпера­туры и влажности воздуха, а характеристики промежутков в воздухе вдоль поверхности изолятора - от количества и свойств загрязне­ний, осевших на эту поверхность.

Смена метеорологических условий (например, появление мокрых осадков) может качественно изменять состояние поверхностей изоля­торов наружной установки и механизм развития разрядов вдоль них, что сильно сказывается на значениях разрядных напряжений. В связи с зтим, разрядные напряжения внешней изоляции изоляторов подраз­деляются на сухораврябные (при чистых и сухих поверхностях), мок­ро-разрядные (при чистых смачиваемых дождем поверхностях) и влага-разрядные (при загрязненных и увлажненных поверхностях). При из­мерении мокро- и влагоразрядных напряжений искусственный дождь и увлажненные загрязнения создаются строго регламентированными спо­собами.

Важным свойством внешней изоляции является ее самовосстанав­ливаемость. Это свойство заключается в том, что электрическая прочность внешней изоляции после пробоя или перекрытия может че-рез.'короткое время полностью восстанавливаться до исходного уров­ня. Практическое значение этого состоит в том, что в редких, осо­бо неблагоприятных условиях можно допускать перекрытие внешней изоляции, а дальнейшую нормальную работу всей установки обеспечи­вать, например, с помощью системы автоматического повторного включения (АПВ).

У внутренней изоляции практически отсутствует зависимость электрической прочности от атмосферных условий. Точнее, на пове­дение внутренней изоляции не влияют случайные и сравнительно быстрые колебания температуры и влажности окружающего воздуха, если они не выходят за пределы допустимых. На свойства внутренней изоляции оказывают влияние только средние за относительно дли­тельный период времени значения температуры и влажности окружаю­щего воздуха.

Особенностью внутренней изоляции является то, что ее пробой или полностью необратин (приводит к выходу из строя оборудова­ния), или приводит к ухудшению ее характеристик. Поэтому состоя­ние внутренней изоляции в процессе эксплуатации должно периоди­чески контролироваться для своевременного выявления развивающихся дефектов и предотвращения аврийных отказов электрооборудования.

Однако контроль качества внутренней изоляции проводится не по результатам измерения фактических пробивных напряжений, а пу­тем проверки способности изоляции выдержать испытательные напря­жения, выбираемые с учетом возможных перенапряжений, так как пос­ле измерения пробивного напряжения оборудование будет зазедомо непригодно к работе. Длительная электрическая прочность проверя­ется косвенными методами.

Еще одно практическое значение необратимости пробоя внутрен­ней изоляции заключается в том, что внутренняя изоляция изоляци­онных конструкций должна обладать более высоким уровнем электри­ческой прочности, чем внешняя изоляция, то есть таким уровнем, при котором пробой полностью исключается в течение всего срока службы. Для внешней изоляции допускается ограниченное число пе­рекрытий в особо неблагоприятных условиях с устранением замыканий с помощью АПВ.

Важным свойством внутренней изоляции является старение. Под старением изоляции понимается постепенное ухудшение ее свойств с течением времени. Причиной старения являются электрические, теп­ловые, механические и другие нагрузки, действующие на изоляцию при эксплуатации. Практическое значение этого свойства внутренней изоляций состоит в ограничении сроков службы изоляционных конструкций.

У внутренней изоляции механизм пробоя может быть существенно разным при электрических воздействиях разной длительности. Соот­ветственно разными будут и пробивные напряжения. Для многих видов

внутренней изоляции пробивное напряжение при временах воздействия в несколько десятков микросекунд, характерных для грозовых пере­напряжений, может в десятки раз превышать пробивные напряжения при воздействиях длительностью в несколько лет, соответствующих воздействию рабочего напряжения. В связи с этим, в инженерной практике различают три вида электрической прочности внутренней изоляции:

кратковременную при зрозоеш; перенапряжениях (при приложении к изоляции стандартных грозовых импульсов);

кратковременную при внутренних перенапряжениях (при приложе­нии стандартных коммутационных импульсов);

длительную (способность выдерживать воздействие рабочего напряжения в течение требуемого срока службы).

Целесообразность применения в установках высокого напряжения в качестве диэлектриков кроме окружающего врздуха специальных твердых, жидких и газообразных материалов, составляющих внутрен­нюю изоляцию, заключается в следующем. Во-первых, элементы внут­ренней изоляции из твердых диэлектриков выполняют функции механи­ческого крепления проводников. Кроме того, через внутреннюю изо­ляцию осуществляется отвод тепла, выделяющегося при прохождении рабочих токов; здесь наиболее эффективны жидкие диэлектрики.

В задаче 1 производится расчет разрядного напряжения внешней изоляции с учетом атмосферных условий. Учет давления, температуры и влажности атмосферного воздуха на практике необходим, во-пер­вых, чтобы иметь возможность сопоставить разрядные напряжения (для этого они должны быть отнесены к одинаковым условиям) и, во-вторых, чтобы устанавливать испытательные напряжения в конк­ретных условиях эксперимента по нормированным значениям, отнесен­ным к нормальным атмосферным условиям.

Формула, связывающая разрядные (испытательные) напряжения внешней изоляции в условиях эксперимента и при нормальных ат­мосферных условиях, выглядит следующим образом:

где U - разрядное (испытательное) напряжение в условиях эксперимента;

U_o - разрядное (испытательное) напряжение при нормальных атмосферных условиях;

- поправочные коэффициенты, учитывающие

соответственно давление, температуру и влажность воздуха.

В качестве нормальных атмосферных условий принято считать: температуру воздуха 20°С = 293°К, давление 760 мм рт.ст. = - 101,3 кПа « 100 кПа и абсолютную влажность 11 г/к³.

Значения поправочных коэффициентов рассчитываются по форму­лам, установленным соответствующим ГОСТ. Формула для поправочного коэффициента на давление имеет вид:

где р₀ - нормальное атмосферное давление; .

р - атмосферное давление в условиях эксперимента; m - показатель степени, зависящий от типа и размеров изоляционной конструкции и вида воздействующего напряжения.

Поправочный коэффициент на температуру определяется следую­щим образом:

K_t = (Т₀/Т)^п -=[(273 + t₀) / (273 + t)]^R ,

Где Т_о и to - температура нормальных атмосферных условий по шкале

Кельвина и Цельсия соответственно; Т и t - температура условий эксперимента по шкале Кельвина и Цельсия соответственно,

п - показатель степени, зависящий от типа и размеров изоляционной конструкции и вида воздействующего нап­ряжения.

Поправочный коэффициент на абсолютную влажность воздуха при относительно больших напряжениях считается равным:

,

где k- вспомогательный коэффициент, зависящий от типа изоляцион­ной конструкции и вида воздействующего напряжения.w - показатель степени, зависящий от типа и размеров изоляци­онной конструкции b вида воздействующего напряжения/

При малых расстояниях между электродами, то есть при малых напряжениях (U < 141 кН). поправка на влажность рассчитывается следующим образом:

= 1 + (k^w – 1)U/141.

Электрические поля во внешней изоляции установок высокого напряжения получаются резконеодпородкыш, что связано с соотноше­нием геометрических размеров токоведущтх частей и изоляционных расстояний. Резконеоднороднкми называются электрические поля, у которых коэффициент неоднородности, равный отношению наибольшей напряженности поля к средней в промежутке, превышает 3.

Значения показателей степени m. n и w в приведенных выше формулах для резконеоднородных электрических полей при работе на переменном напряжении частоты 50 Гц можно определить по графикам рис.1. При указанных условиях значения показателей степени зави­сят от межзлектродного расстояния L. Значения тип определяются по кривой на рис.1, а значение w - по кривой 2. При тех же усло­виях вспомогательный коэффициент к зависит от абсолютной влажнос­ти воздуха, данная зависимость приведена в табл.2.

Таблица 2