Распределение напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций

Распределение напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций

Распределение напряжения на опорной и подвесной изоляции

   При выборе и расчете изоляционных конструкций  руководствуются обеспечением надежности и долговечности работы высоковольтных аппаратов.

    Переменное и импульсное напряжения распределяются по изоляционным конструкциям по продольным и поперечным паразитным емкостям его элементов относительно земли или других конструкций. Емкости элементов изоляции образуют емкостные делители (рис. 1).

Рис.1. Продольная  емкость (К) и емкость на землю (С₁) изоляционной конструкции.

    Неравномерность распределения приводит к тому, что на части изоляции напряженность электрического поля выше порога начала коронного разряда. Корона на высоковольтной конструкции является причиной радиопомех, ускоренного старения изоляции и коррозии арматуры, а также дополнительных потерь электрической энергии. Данная проблема весьма актуальна при выборе подвесной изоляции - гирлянд линий электропередачи. Распределение напряжения по изоляторам гирлянды можно определить с помощью схемы замещения, показанной на рис. 2. 

Рекомендуемые материалы

Рис. 2. Гирлянда изолятора (а) и схема замещения гирлянды (б) 

На этой схеме К - собственные емкости изоляторов; С₁ - емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры, заземленных тросов и т. д.);  С₂ - емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (провода, арматуры); R - сопротивления утечки по поверхности изоляторов.

   Обычно гирлянды комплектуются из однотипных изоляторов, поэтому их собственные емкости, лежащие в пределах  К = 30 - 70 пФ имеют одинаковую величину. При чистой и сухой поверхности изоляторов R >> 1 / w К. Поэтому распределение напряжений зависит только от емкостей К, С₁ и С₂ . Если бы емкости С₁ и С₂  отсутствовали, напряжение по изоляторам распределялось равномерно.

    В реальных условиях емкости С₁ = 4 - 5 пФ и С₂ = 0,5 - 1,0 пФ, т. е. не равны нулю, поэтому величина тока, протекающая через емкости К изоляторов, не остается постоянной. На рис. 3 приведена схема замещения  для случая  С₁ ¹ 0 и С₂ =0 и условно показано распределение токов.

Рис. 3. Влияние емкости С₁ на распределение напряжения вдоль гирлянды.

Через собственную емкость ближайшего к высоковольтному проводу изолятора протекает наибольший ток, а через емкость изолятора, ближайшего к “земле”, - наименьший. При этом напряжение вдоль гирлянды распределяется неравномерно.

   В реальных условиях на распределение напряжения вдоль гирлянды оказывают влияние как емкости С₁ , так и емкости С₂ . При этом изоляторы, расположенные в средней части гирлянды, оказываются менее нагруженными по напряжению, чем изоляторы у концов гирлянды. Вследствие того, что С₁ > C₂ , наибольшее напряжение приходится на изоляторы, ближайшие к проводу.

     Выравнивание распределения напряжения вдоль гирлянды способствует применение специальной арматуры в виде колец, которые укрепляются в месте подвески провода.  Такая арматура увеличивает емкость С₂ изоляторов, ближайших к проводу, и тем самым уменьшает долю напряжения, приходящуюся на эти изоляторы.

   При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов R << 1 / w К, поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды определяется главным образом сопротивлениями утечки. Если изоляторы гирлянды загрязнены и увлажнены одинаково и равномерно по всей поверхности, то происходит выравнивание распределения напряжения. 

Распределение напряжения в обмотках трансформаторов.

     При воздействии на трансформаторы импульсов перенапряжений в обмотках возникают переходные процессы,  сопровождающиеся значительными импульсными перенапряжениями в главной (по отношению к  “земле”) и продольной (между соседними витками и катушками) изоляции, величина которых в значительной степени определяется начальным распределением напряжения вдоль обмотки, которое   зависит от емкостей на землю и продольной емкости. 

    Наиболее простой для анализа и наиболее тяжелый для изоляции случай соответствует падению на обмотку трансформатора бесконечно длинного импульса с амплитудой U₀ и прямоугольным фронтом (длина фронта t_и = 0), при воздействии которого токи через индуктивности в начальный момент времени будут равны нулю. Поэтому начальное распределение напряжения вдоль обмотки, как и для гирлянды изоляторов, будет определяться из цепочечной схемы, включающей продольные емкости К между соседними витками и катушками, а также поперечные емкости С₁ относительно земли (рис. 3). Емкостями С₂ можно пренебречь, т. к. при отсутствии специальных мер у трансформаторов С₂  << C₁ .

    Без специальных мер по выравниванию распределения напряжения начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора получается сильно неравномерным. Напряжения между первыми витками обмотки могут в 10 - 20 раз превышать те, которые соответствуют равномерному распределению. Это вызвано тем, что в отличии от гирлянды, где К > C₁ почти в 20 раз, в трансформаторах из-за близости обмоток к заземленным баку и магнитопроводу это соотношение не превышает 8 раз. Для выравнивания начального распределения напряжения в трансформаторах выполняют специальную внутреннюю защиту, часто в виде емкостных экранов, электрически соединенных с началом обмотки. Эти экраны создают дополнительные емкости между витками или катушками обмотки и началом обмотки (рис 4) и тем самым частично выравнивают начальное распределение напряжения (как и емкости С₂ в гирлянде изоляторов).

Рис. 4. Схема замещения обмотки трансформатора.

К- продольная емкость между катушками;  С₁ - поперечная емкость катушек относительно земли; С₂ - емкость катушек относительно экрана.

Изоляция вращающихся машин

    Во вращающихся электрических машинах высокого напряжения (3 - 20 кВ) в месте выхода обмотки  из паза статора электрическое поле получается резко неоднородным. Сталь статора, т. е. заземленный электрод, имеет здесь угол с острой кромкой (точка А, рис. 5 а), напряженность у которой даже при рабочем напряжении получается настолько высокой, что на поверхности изоляции могут возникнуть скользящие разряды (от точки А). Эти разряды разрушают изоляцию и резко сокращают ее срок службы.

   Для того, чтобы сделать электрическое поле на этом участке более однородным, на поверхность изоляции наносят покрытие, удельное сопротивление которого (на единицу длины слоя) на 3 - 4 порядка меньше, чем поверхностное сопротивление r_s самой изоляции. Благодаря этому напряженность электрического поля вдоль поверхности изоляции в месте выхода обмотки из паза значительно снижается и разряды в этом месте устраняются, но появляется острая кромка в месте окончания покрытия (точка В на рис. 5). 

Рис. 5. Конструкция и схемы замещения изоляции в месте выхода обмотки электрической машины из паза статора

А - без регулирования электрического поля; Б - с регулированием электрического поля с помощью проводящего покрытия; 1 - сталь ротора; 2 - токоведущий стержень; 3 - изоляция; 4 - проводящее покрытие.  

Однако протекающие вдоль покрытия емкостные токи (через С₁ ) создают падение напряжения, и разность потенциалов между токоведущим стержнем обмотки и покрытием с увеличением x постепенно снижается. При правильном выборе длины покрытия l_п  и его удельного сопротивления разность потенциалов между токоведущим стержнем и краем покрытия оказывается сниженной настолько, что, несмотря на неоднородность поля в этом месте,  разряд по краю покрытия не возникает. Кривые изменения напряженности E_x  вдоль поверхности изоляции показаны на рис. 6.

Рис. 6. Изменение напряженности Е_х вдоль поверхности изоляции в месте выхода обмотки из паза статора.

1 - без покрытия;  2 - с покрытием

    Строгий расчет трехмерного электрического поля в месте выхода обмотки из паза статора с учетом геометрической формы токоведущих стержней обмотки  и стали статора, различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердой изоляции, учет объемной и поверхностной проводимости изоляции представляет весьма сложную задачу. Удовлетворительная для инженерных расчетов точность достигается при следующих упрощениях: 

  -  электрическое поле предполагается плоскопараллельным, т. е. принимается, что в любом сечении, параллельным чертежу (рис. 5), форма поля сохраняется;

  - емкость между сталью статора и поверхностью твердой изоляции (С₂ на рис. 5) не учитывается;

   - объемное сопротивление твердой изоляции не учитывается;

   - изменение потенциала вдоль поверхности изоляции  обусловлено протеканием токов вдоль поверхности изоляции (удельное поверхностное сопротивление r_s ), которые замыкаются затем на стержень обмотки через распределенные емкости изоляции.

     При указанных упрощениях расчет электрического поля в месте выхода обмотки из паза сводится формально к определению распределения  напряжения в емкостно-омической цепочечной схеме с распределенными параметрами (см. схемы замещения на рис. 5). 

Распределение напряжения в цепочечной схеме

   Для решения рассмотренных выше задач необходимо провести анализ цепочечной схемы с равномерно распределенными параметрами (рис. 7). Схема замещения для гирлянды изоляторов состоит из конечного числа сосредоточенных емкостей и сопротивлений. Однако удобнее заменить сосредоточенные параметры равномерно распределенными  и считать их постоянными по длине гирлянды, хотя на самом деле емкости С₁ и С₂  (см. 2) зависят от положения изолятора. Такое допущение упрощает решение и позволяет получить результаты, достаточно близкие к опытным.

Рис. 7. Емкостно-омическая схема с распределенными параметрами.

  В схеме на рис. 7 емкости и сопротивление на единицу длины обозначены. На этой схеме случай замкнутого рубильника Р соответствует схеме замещения гирлянды или трансформатора (начальное распределение) с глухозаземленной нейтралью; разомкнутого рубильника Р - схеме замещения трансформатора с изолированной нейтралью   Для участка схемы  длиной dx уравнения для  и  имеют вид:

(1)

.

На основании (1) дифференциальное уравнение, описывающее распределение напряжения вдоль цепочечной схемы, будет:

                                   (2)

Решение уравнения (2) имеет вид:

                                                                                                 (3)

где         - частное решение неоднородного уравнения.

  Коэффициенты А₁ и А₂ определяются из граничных условий:

рубильник Р - замкнут:        при х = 0  U_x  = U₀

                                                при х = l   U_х =  0

рубильник Р - разомкнут:    при х = 0  U_x  = U₀

                                                при х = l  ,  так как I_x = 0.

Тогда общее решение при замкнутом   рубильнике:

                          (4)

Цепочечная схема с замкнутым рубильником является схемой замещения для гирлянды и обмоток трансформатора с заземленной нейтралью.  Рассмотрим этот случай.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды

    Для гирлянды изоляторов с чистой сухой поверхностью  уравнение (4) имеет вид:

Здесь : i - номер изолятора, считая от провода; n - число изоляторов в гирлянде.

Это уравнение получено с учетом того, что для гирлянды изоляторов емкости на единицу длины определяются через реальные емкости изоляторов К, С₁ и С₂  (см. рис.2):

             ;   где  h - строительная длина одного изолятора.

 Кроме того учтено, что текущая координата х может принимать лишь дискретные значения  x = ih, где i - порядковый номер изолятора, считая от провода. Наибольшее значение i = n,  где  n - число изоляторов в гирлянде;  hn = l  -  длина гирлянды.

   Напряжение DU_i, приходящееся на i - й изолятор гирлянды равно:

На изоляторе, ближайшем к проводу (i = 1), который работает в наиболее трудных условиях, напряжение DU₁ будет:

                                                          (5)

При неограниченном увеличении числа изоляторов, т. е. при n ®¥:

;    

Следовательно, на основании (4) при n®¥:

                                                                               (6)

       Из (5) и (6) следует, что с ростом числа изоляторов n в гирлянде напряжение на ближайшем к проводу изоляторе уменьшается не обратно пропорционально n, как было бы при равномерном распределении, а в меньшей степени, и стремится к некоторому пределу. При  n > 10 - 15 увеличение числа изоляторов в гирлянде практически не изменяет долю напряжения на ближайшем к проводу изоляторе. Эчто затрудняет выполнение изоляции для линий высокого и сверхвысокого напряжения (свыше 220 кВ), так как без специальных мер напряжение DU₁ независимо от числа изоляторов в гирлянде растет почти пропорционально рабочему напряжению линии U₀ .

      Для создания более равномерного распределения напряжения вдоль гирлянды  и снижения величины  DU₁ / U₀ используют специальную арматуру в месте подвески провода. С помощью этой арматуры увеличивают емкость С₂ изоляторов, ближайших к проводу, что приводит к снижению напряжения DU₁. В случае расщепления проводов емкость С₂ значительно увеличивается. Поэтому применение расщепленных проводов, а также сдвоенных гирлянд, у которых К увеличивается в большей степени, чем С₁ , способствует выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов.   

      В случае, если R^’ ¹ ¥ (увлажненная или сильно загрязненная поверхность изоляторов), наличие продольного сопротивления выравнивает напряжение по изоляторам гирлянды, но при этом возрастают токи утечки и имеют место потери энергии.

Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора при воздействии прямоугольного импульса

     На рис. 8 приведено размещение высоковольтной секционированной на катушки обмотки трансформатора.

    Для трансформаторной обмотки с изоляцией без утечек () и без специальных выравнивающих экранов емкость , как правило, пренебрежимо мала, поэтому примем  = 0. Тогда после преобразований уравнение (4) примет вид:

                                                                            (7)

   Формула (7) относится к обмотке трансформатора без внутренней защиты.

 Рис. 8. Высоковольтные обмотки трансформатора

   Емкости на единицу длины  определяются из формул:

 и  где l - длина обмотки, К_тр - так называемая “продольная” емкость всей обмотки; С_1тр - полная емкость всей обмотки на землю (бак трансформатора). Тогда:

                  ,    или                                  (8)

Для трансформаторов a·l = 10 - 20. С учетом этого можно упростить формулы для U_x  приняв в них (в гиперболических синусах) . Тогда независимо от режима нейтрали распределение напряжения U_x вдоль обмотки определяется приближенным выражением

                                                             (9)

Из (9) следует, что наибольшие напряженности в продольной изоляции обмотки (между витками) будут иметь место в начале обмотки (х = 0) :

                                                                                            (10)

При равномерном распределении

На самом деле импульсные напряженности между первыми витками будут в  раз, т. е. примерно в 10 -20 раз больше, чем при равномерном распределении.

    Для выравнивания начального распределения используют емкостные экраны. Для объяснения их действия рассмотрим схему замещения обмотки трансформатора с емкостным экраном для t = 0 (см. рис. 4, рубильник Р - замкнут). Будем считать, что на этой схеме  К, С₁ и С₂ - соответствующие емкости катушек обмотки, т. е. схема содержит конечное число сосредоточенных емкостей,  причем все емкости С₁ катушек на землю одинаковы, а емкости С₂ можно выполнить разными.

"Тема 5. Интерпол и Европол в МС" - тут тоже много полезного для Вас.

   Если емкостной экран распространяется на всю длину обмотки, то при определенном подборе величин емкостей С₂ начальное распределение напряжения будет строго равномерным. Для этого необходимо, чтобы заряд на i-й емкости С₂ был равен заряду на емкости С₁ этой же катушки, т. е. 

где  - при равномерном начальном распределении напряжения по катушкам; i - номер катушки, считая от  начала обмотки (от высоковольтного ввода); m - число катушек в обмотке.

    Отсюда следует, что емкости С_2i  относительно экрана должны изменяться вдоль обмотки следующим образом:

                                                                 .                                        (11)

 Теоретически может быть достигнуто идеально равномерное  распределение напряжения по катушкам обмотки трансформатора. Практически выполнять условие (11),    т. е.  изготовлять емкостный экран на всю длину обмотки и с требуемым изменением емкости С₂ нецелесообразно. Обычно с помощью емкостного экрана защищают лишь первые катушки обмотки, продольная изоляция которых при отсутствии экрана подвергается  воздействию особенно высоких импульсных перенапряжений.