Зависимость коэффициента к от абсолютной влажности воздуха
⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 13
Следует отметить уменьшение влияния атмосферных условий на разрядные напряжения внешней изоляции при увеличении межэлектродных расстояний в промежутках с резконеоднородным электрическим полем при переменном напряжении. Это иллюстрируется уменьшением показателей степени га, n, w при увеличении межэлектродного расстояния L на графиках рис.1. Кроме того, характер влияния атмосферных условий на разрядные напряжения зависит от метеорологических условий. В частности, атмосферные условия практически не оказывают влияния на влагоразрядкые напряжения. Температура воздуха и дождевой воды практически не влияет на мокроразрядное напряжение изоляторов, а давление оказывает на него влияние.
Порядок оформления задачи 1. Графики зависимостей показателей степени для поправочных коэффициентов на давление, температуру и влажность воздуха от межэлектродного расстояния и вспомогательного коэффициента для поправочного коэффициента на влажность от абсолютной влажности воздуха. 2. Определение показателей степени для поправочных коэффициентов на давление и температуру воздуха. 3. Расчет поправочных коэффициентов на давление и температуру воздуха. 4. Определение показателя степени и вспомогательного коэффициента для поправочного коэффициента на абсолютную влажность воздуха. 1 Расчет поправочного коэффициента на абсолютную влажность воздуха. 6. Расчет разрядного напряжения воздушного промежутка при заданных атмосферных условиях. Задача 2 Срок службы внутренней изоляции Внутренняя изоляция изоляционной конструкции имеет толщину d и работает при напряжении и промышленной частоты. Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала равна еги. Коэффициент неоднородности электрического поля в изоляции равен к„. Определить зависимость срока службы изоляции от рабочей температуры при наличии воздушного включения размером 0,01 мм в направлении электрического поля.
Исходные данные Таблица 3
Методические указания к решению задачи Как отмечалось в методических указаниях к задаче 1. ное напряжение внутренней изоляции зависит от времени приложения напряжения. Вид этой зависимости имеет сложный характер, так как при разных временах процессы в изоляции, приводяцие к пробою, имеют различную физическую природу. Следует отметить, что при любом значении времени пробивное напряжение - величина случайная имеющая определенное поле разброса, что объясняется природой процессов при пробое и наличием неконтролируемых случайных различий между однотипными изоляционными конструкциями. Характерная форма зависимости пробивного напряжения внутренней изоляции Uпр от времени приложения напряжения х показана на рис. 2. Зависимость
Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения внутренней изоляции от времени приложения напряжения
Участок 1 зависимости Участок 2 {диапазон времени 10 -2...10 2- от сотых долей секунды до десятков секунд) характерен для изоляции с наличием жидкого диэлектрика. Здесь наблюдается снижение электрической прочности при увеличении т, что связано с образованием проводящих мостиков из примесей. Следующий участок 3 - область теплового пробоя, который связан с нарушением тепловой устойчивости изоляции. Этот участок охватывает диапазон времени 102..10 4 {от десятков секунд до нескольких часов). Наконец, последний участок 4 зависимости Задача обеспечения длительной электрической прочности внутренней изоляции в процессе старения, то есть требуемого срока ее службы, является одной из наиболее сложных. Это связано с тем, что прямым экспериментом нельзя определить ход зависимости ипр = Их) в области больших времен, так как для этого потребовались бы десятилетия. Поэтому при решении данной задачи используются косвенные методы, основанные на измерении истенсивности процессов, вызывающих старение. Причиной старения внутренней изоляции могут быть воздействия различной физической природы. В основном это электрические, тепловые и механические нагрузки. Соответственно различают электрическое, тепловое и механическое старение внутренней изоляции. Кроме того, старение может быть обусловлено проникновением загрязнений, увлажнением изоляции.
В данной задаче контрольной работы производится расчет срока службы внутренней изоляции с учетом электрического и теплового старения. Основной причиной электрического старения внутренней изоляции являются частичные разряды. Частичными разрядами называют разрядные процессы в изоляции, которые развиваются под действием приложенного напряжения и распространяются лишь на часть изоляционного промежутка. Частичные разряды возникают в ослабленных местах изоляции, например в газовых включениях или в местах резкого усиления электрического поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как в этом случае они возникают при меньших напряжениях, чем в жидких и твердых компонентах изоляции. Темпы электрического старения возрастают с увеличением приложенного к изоляции напряжения, а сроки службы соответственно уменьшаются. При этом зависимость срока службы т от величины напряжения может иметь сложный характер. Экспериментальные исследования показали, что для относительно небольшого времени (до 10 3...104 час) график зависимости среднего срока службы внутренней изоляции от приложенного напряжения
Рис. 3. Зависимость среднего срока службы внутренней изоляции от приложенного напряжения
Такому ходу зависимости где Uчр - напряжение появления в изоляции частичных разрядов, кВ; А - постоянная, зависящая от свойств изоляции, в расчетах при решении задачи 2 контрольной работы следует принять типичное для твердой изоляции при нормальных условиях значение А = 6-109 год/(кВ)п;
п - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения; в большинстве видов изоляции при напряжении промышленной частоты п = 4...8, в контрольной работе принять п = 6. Как уже отмечалось, между любыми однотипными изоляционными конструкциями существуют неконтролируемые случайные различия, поэтому при заданных условиях эксплуатации срок службы изоляционной конструкции есть величина случайная и приведенное выражение дается среднее значение. Следует отметить, что разбросы величины срока службы изоляции относительно среднего значения могут быть значительными. Для расчета среднего срока служба изоляции по приведенной выше формуле необходимо знать напряжение возникновения частичных разрядов Uчр. Для его определения изоляцию с газовым включением условно изобразим в виде рис. 4. На этом рисунке d - толщина слоя внутренней изоляции,
Рис. 4. Изоляция с газовым включением
Рис. 5. Схема замещения изоляции с газовым включением
Для расчета величин С6 и Св можно воспользоваться формулой для емкости плоского конденсатора. Тогда получим:
где SВ - площадь сечения газового включения, перпендикулярного силовым линиям электрического поля; и При приложении к изоляции переменного напряжения частичные разряды будут возникать, если амплитуда напряжения на емкости Св будет больше пробивного напряжения газового включения (разрядника ИР по схеме рис. 5) UB!ip. Это условие соблюдается, если величина напряжения на изоляции (действующее значение) будет равна: После подстановки выражений для емкостей Сй и Св и упрощений с учетом того, что Данная формула имеет место для изоляции с однородным электрическим полем. Более характерным является случай с неоднородным полем во внутренней изоляции. Очевидно, что тогда наименьшая величина напряжения Uчр будет, если газовое включение находится в области наибольшей напряженности электрического поля. Эта величина будет равна:
где Кн - коэффициент неоднородности электрического поля в изоля ции, равный отношению максимальной напряженности средней напряженности поля. При._ малых размерах газовых включений, что имеет место на практике, пробивное напряжение Uвнр слабо зависит от размеров включения и равно для воздуха примерно ЗО0 В. Так как размеры газового включения и место его расположения в изоляции случайны, то для однотипных изоляционных конструкций будут иметь место значительные разбросы напряжения Uчр. Тепловое старение изоляции есть следствие возникновения или ускорения химических реакций в диэлектрических материалах при повышении температуры. Химические реакции приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и как следствие к ухудшению свойств изоляций в целом. Влияние нагревания на различные изоляционные материалы различно. Однако для твердых диэлектриков характерным является снижение механической прочности в процессе теплового старения. Со временем это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою. Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций. Для практики можно принять, что срок службы изоляции обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции при различных температурах будет равно:
Данное выражение является следствием известного из химии уравнения Аррениуоа при указанном допущении. Значение Приведенное выражение для сроков служба изоляции при тепловом старении дает достаточную для практики точность. В то же время вследствие сложности химических процессов и влияния на них большого числа факторов строгий расчет сроков службы внутренней изоляции при тепловом старении затруднителен. Порядок оформления задачи 1. Расчет появления в изоляции частичных разрядов Uпр. 2. Расчет среднего срока службы изоляции при нормальной температуре т0- 3. Расчет зависимости среднего срока службы изоляции от температуры т - f(t). Расчет произвести в диапазоне температур от 20 до 50°С с шагом 10°С. 4. Построение графика зависимости
Задача № 3. Методы профилактического контроля внутренней изоляции высоковольтного оборудования по абсорбционным явлениям и по тангенсу угла диэлектрических потерь
Условие задачи и исходные данные. Внутренняя изоляция высоковольтного оборудования состоит из двух слоев имеющих в установившемся режиме соответственно сопротивление утечкиR1, R2 и емкости слоев С1 и С2. Требуется по характеру изменения тока абсорбции и значению сопротивления изоляции в исходном состоянии изоляции и при уменьшении сопротивления первого слоя в 100 раз (0,01R1) дать заключение о качестве изоляции и определить допустимость степени увлажнения. Тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т0=200С равен— tgδ0; коэффициент, характеризующий температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, равен – α. Требуется рассчитать и построить графики зависимости тангенса диэлектрических потерь и мощности потерь в диэлектрике при изменении температуры от 200С до 1000С и приложении переменного напряжения U = 10 кВ с частотой 50 Гц. Значения всех переменных параметров для соответствующих вариантов приведены в табл. 4.1Т аблица 4.1
Примечание. Например, при цифре шифра 1 сопротивление R1 = 110•106 Ом.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАЧИ № 3
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
В процессе эксплуатации высоковольтного оборудования из-за перегрева, увлажнения, механических повреждений и перенапряжений происходит общее старение изоляции. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты. Постепенно развиваясь, эти дефекты способны настолько снизить пробивное или разрядное напряжение, что изоляция может не выдержать перенапряжений, время от времени появляющихся в электрических системах, или даже рабочего напряжения [1; 2; 9; 10]. В большинстве случаев эти дефекты не могут быть обнаружены путем простого осмотра изоляции и для их выявления необходимы специальные методы испытаний, которые называются профилактическими. Группа профилактических методов контроля изоляции, при которых используются по сравнению с рабочими малые напряжения и различные косвенные способы оценки характеристик изоляции называется неразрушающие испытания. Другую группу испытаний с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте, называют разрушающими испытаниями. Для каждого вида изоляции характерны определенные виды дефектов и применяются различные методы профилактических испытаний. Периодичность и нормы испытаний устанавливаются стандартами и ведомственными инструкциями для каждого вида электрооборудования. Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды (ЧР). ЧР возникают в газовых включениях или прослойках жидкого диэлектрика. Скорость разрушения изоляции зависит от интенсивности ЧР. Регистрация интенсивности ЧР во время эксплуатации высоковольтного оборудования и в лабораторных условиях проводится с помощью электрических, оптических и ультразвуковых методов. Проникновение в изоляцию из окружающей среды влаги, различных примесей и кислорода значительно ускоряют процессы старения изоляции. При неразрушающих методах испытаний для оценки качества изоляции используются измерения характера изменения характеристик диэлектриков во времени, от частоты испытательного напряжения и от температуры. В качестве внутренней изоляции высоковольтного оборудования очень часто применяются комбинации диэлектриков, сочетание которых позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции. В частности, очень большое распространение получила слоистая изоляция, в состав которой входят пропитанные маслами волокнистые материалы типа бумаги (кабели, конденсаторы, трансформаторы и др.). Ухудшение качества слоистой изоляции в большинстве случаев происходит путем более или менее однородного изменения свойств одного из слоев, тогда как характеристика других слоев остаются практически неизменными. Это приводит к изменению неоднородности изоляции. По характеру этого изменения можно судить о состоянии изоляции. В простейшем случае неоднородная изоляция состоит из двух слоев, каждый из которых характеризуется своей удельной
Рис. 4.1. Модель двухслойного диэлектрика
проводимостью слоев γ и диэлектрической проницаемостью ε. Модель двухслойного диэлектрика представлена на рис. 4.1. Для анализа процессов в модели двухслойной изоляции можно использовать схемы замещения, показанные на рис. 4.2. В схеме на рис. 4.2, а сопротивление утечки первого и второго слоев в уста вившемся режиме соответственно равны: R1 = d1 / γ1 S и R2 = d2 / γ2 S, (4.1) а емкости этих слоев равны С1 = ε0 ε1 S / d1 и С2 = ε0 ε2 S / d2. (4.2) Здесь γ1 и γ2 – удельные проводимости слоев; ε0 = 8,85•10–12 Ф/м — электрическая постоянная; ε1 и ε2 – диэлектрические проницаемости слоев; d1 и d2 – толщина слоев; S – площадь электродов и границы между слоями. При подключении диэлектрика к источнику с постоянным напряжением, кроме постоянного тока утечки из-за миграционной поляризации диэлектриков, в течение непродолжительного времени наблюдается так называемый ток абсорбции. Со временем ток абсорбции спадает до нуля по экспоненциальному закону. В процессе старения изоляции, например увлажнении одного из слоев, ток абсорбции уменьшается. Это обстоятельство используется для контроля состоянияизоляции. Рис. 4.2. Схема замещения двухслойного диэлектрика Схема представленная на рис. 4.2, б эквивалентна схеме на рис. 4.2, а. В этой схеме замещения: сопротивление утечки всей изоляции в установившемся ре- жиме R = R1 + R2, (4.3) геометрическая емкость изоляции Сr = С1 С2 /(С1 + С2). (4.4) Ветвь «r — ΔС» отражает накопление заряда абсорбции, параметры ее определяются из условия равенства полных сопротивлений обеих схем замещения: r = R1R2 (R1 + R2)(С1 + С2)2 /(R1С1 – R2С2)2; (4.5) ΔС = (R1С1 – R2С2)2 / (R1 + R2)2 (С1 + С2). (4.6) Если изоляция однородна, т.е. R1С1 = R2С2 или ε1 /γ1 = ε2 /γ2, то r = ∞ и ΔС = 0, т.е. заряд абсорбции в этом случае не накапливается. Из схемы замещения на рис. 4.2, б следует, что при подключении неоднородной изоляции к источнику постоянного напряжения ток, проходящий через изоляцию (без учета кратковременного тока заряда геометрической емкости Сr), изменяется во времени в соответствии с выражением I(t) = (U/R) + (U/r)ехр (–t/τ), (4.7) где τ = rΔС = R1R2 (С1 + С2) /(R1 + R2). (4.8) При этом изменяется и сопротивление изоляции R(t) = U/I(t) = R/[1+(R/r)exp(–t / τ)]. (4.9) Как следует из (4.8) и (4.9), пределы и скорость изменения R(t) определяются всеми параметрами обоих слоев изоляции. При сильном увлажнении, загрязнении или растрескивании изоляции из-за различной способности материалов к увлажнению или загрязнению объемное сопротивление одного из слоев резко падает. Диэлектрическая проницаемость при этом увеличивается незначительно. Вследствие этого сопротивление утечки изоляции R(t) и постоянная времени τ уменьшаются. На практике оценка состояния изоляции производится по значениям сопротивления R(t), измеренным через 15 с и 60 с после включения постоянного напряжения. В качестве источника постоянного тока используются переносные приборы мегаом-метры, имеющие напряжение 500, 1000 или 2500 В. Заключение о качестве изоляции делается по значению R60 и коэффициенту абсорбции kабс= R60 /R15. (4.10) Для изоляции в нормальном состоянии характерны высокие значения R60 (не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения). Опытным путем установлено, что R60 /R15<1,3 изоляция недопустимо увлажнена. Если к двухслойному диэлектрику прикладывается переменное напряжение, то оказывается, что емкость неоднородного диэлектрика зависит от частоты. Данная зависимость выражается формулой С(ω) = Сr + ΔС /(1+ω2 τ 2), (4.11) где ω — круговая частота приложенного напряжения. Контроль степени увлажнения при переменном токе производится путем измерения емкости изоляции на различных частотах. Емкость изоляции с ростом частоты изменяется тем сильнее, чем больше степень неоднородности изоляции, т.е. чем больше степень увлажнения. На практике измерения емкостей производятся с помощью приборов контроля влажности (ПКВ) при двух частотах: 2 Гц и 50 Гц. Заключение о степени увлажнения изоляции делают по значению отношения С2 /С50 или ΔС /Сr. На основе опыта установлено, что для изоляции в нормальном состоянии допустимые значения составляют С2 /С50 ≤ 1,2 ч 1,3. Изоляция недопустимо увлажнена, если измеренные значения различаются более, чем в 1,3 раза, т.е. если С2 /С50>1,3. Под воздействием переменного напряжения в диэлектрике возникают токи проводимости и смещения, которые обуславливают так называемые диэлектрические потери. Величина диэлектрических потерь является хорошим показателем состояния диэлектрика, так как появление всякого рода примесей, газовых включений и увлажнения диэлектриков приводят к заметному их увеличению. Мощность потерь в диэлектрике при неизменной температуре равна Р = U2 ωСtgδ, (4.12) т.е. мощность потерь пропорциональна тангенсу угла диэлектрических потерь. В связи с этим, в качестве количественного показателя, характеризующего потери в диэлектрических материалах на переменном напряжении, на практике используется не непосредственно угол диэлектрических потерь δ = 900 – ψ, а его тангенс — tgδ. Напомним, что ψ – угол фазового сдвига между током и напряжением в диэлектрике. Величину тангенса диэлектрических потерь tgδ при профилактических испытаниях обычно измеряют с помощью моста переменного тока (моста Шеринга) при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения, если Uном>10 кВ. В лабораториях определяют зависимость tgδ = f (U) в интервале (0,5ч1,5)U раб. У изоляции нормального качества значение tgδ при напряжении до 1,5 U раб в большинстве случаев остается практически неизменным. Если же при повышении напряжения tgδ начинает быстро возрастать, то это свидетельствует о возникновении частичных разрядов в газовых включениях, которые приведут к ухудшению свойств изоляции. Отметим, что диэлектрические потери пропорциональны частоте приложенного напряжения. Измерение tgδ при частоте 50 Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения. Оценка состояния изоляции по значениям tgδ предусматривается Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции. В справочниках и ПУЭ даны нормированные значения tgδ0 в абсолютных значениях или в процентах для диэлектрических материалов и отдельных видов электрооборудования. Удельная проводимость γ диэлектриков, а, следовательно, и tgδ, достаточно сильно зависит от температуры, тогда как диэлектрическая проницаемость в небольшом интервале температур можно считать независящей от температуры. От tgδ зависит мощность диэлектрических потерь и, следовательно, температурный режим работы изоляции. Для большинства материалов зависимость tgδ = f (T) может быть хорошо описана экспоненциальным законом tgδ = tgδо⋅ ехр[α (Т – Т0], (4.13) где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т; tgδ0 — тоже при температуре Т0; α – постоянный коэффициент, характеризующий материал.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАЧИ 3.1.В расчетно-пояснительной записке привести условие задачи и исходные данные выбранного варианта. Нарисовать обе схемы замещения двухслойного диэлектрика. 3.2. По формулам (4.3) – (4.6) вычислить параметры схемы замещения (рис.4.2, б) по данным, приведенным в табл. 4.1 и при уменьшении значения R1 в сто раз. 3.3. По формуле (4.9) определить сопротивление изоляции при приложении постоянного напряжения в течение 60 и 15 с, когда R1 соответствует табл. 4.1 и 0,01 R1. 3.4. Вычислить коэффициент абсорбции по формуле (4.10) и по коэффициенту абсорбции и значению сопротивления R60 сделать заключение о состоянии изоляции, когда R1 соответствует табл. 4.1 и 0,01 R1. 3.5. По формуле (4.13) рассчитать зависимость tgδ от температуры с шагом 20оС. Результаты привести на графике. 3.6. Рассчитать по формуле (4.12) и изобразить графическую зависимость мощности потерь от температуры. Расчетные точки взять из пункта 3.5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ К ЗАЩИТЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 3.1 Чем отличаются разрушающие от неразрушающих методов испытания изоляции? 3.2. Каковы основные методы неразрушающих испытаний применяющихся для профилактического контроля внутренней изоляции? 3.3. Почему существует ток абсорбции? 3.4. Как оценивается состояние изоляции по коэффициенту абсорбции? 3.5. Какие основные методы контроля изоляции при использовании переменного напряжения? 3.6. Почему диэлектрические потери измеряются по тангенсу угла диэлектрических потерь? 3.7. Как зависят диэлектрические потери от величины и частоты приложенного напряжения и от температуры диэлектрика?
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|