Егоров В. В., Петров А. Ф.

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методические указания

К лабораторным работам по курсу

«Техника высоких напряжений и электротехнические материалы»

Санкт-Петербург

ПГУПС

2012

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методические указания

к лабораторным работам по курсу

«Техника высоких напряжений и электротехнические материалы»

Санкт-Петербург

ПГУПС

2012

Егоров В. В., Петров А. Ф.

Техника высоких напряжений: метод. указания / В. В. Егоров, А. Ф. Петров. – СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. – 35 с.

Методические указания включают в себя краткие теоретические сведения из курса «Техника высоких напряжений и электротехнические материалы», программу и порядок выполнения работы, содержание отчета по лабораторным работам.

Предназначены для студентов электромеханического, механического, вечернего и заочного факультетов.

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, сдавшие зачет по правилам техники безопасности при работе с высоковольтными установками.

университет путей сообщения, 2012

Лабораторная работа 8

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы – ознакомление с некоторыми методами измерений постоянных, переменных и импульсных высокихнапряжений.

Общие сведения. Постоянное высокое напряжение можно измерить стрелочным прибором – микроамперметром, при этом последовательно с ним должна быть включена цепочка высокоомных резисторов R (рис. 1а). Величина сопротивления подсчитывается по формуле

R = ,

где U – максимальное напряжение, для которого разрабатывается регистрирующий прибор;

I _пр– максимальный ток микроамперметра;

R _пр– внутреннее сопротивление микроамперметра.

Несколько большую точность обеспечивает схема, изображенная на рис. 1б. В качестве регистрирующего прибора используется электростатический вольтметр. Величина измеренного напряжения

где К _д = R _общ/ R ₂;

U _в – напряжение, измеренное вольтметром.

а) б) в)

Рис. 1. Схемы измерения высокого напряжения с помощью микроамперметров (а, в)

и низковольтного электростатического вольтметра (б)

Применение добавочных резисторов R или делителей напряжения в сочетании с микроамперметрами или электростатическими вольтметрами позволяет достаточно точно измерять постоянное напряжение, однако при измерении переменного напряжения возникает угловая погрешность. Для уменьшения погрешности резисторы помещают внутрь экрана и подключают его параллельно высоковольтным конденсаторам С. Схема замещения приведена на рис. 1в.

Для измерения высокого напряжения используют высоковольтные электростатические вольтметры. Принцип их работы основан на действии сил электрического поля. Эти силы можно измерить с помощью указателя на подвижном электроде:

Конструкция электростатического вольтметра показана на рис. 2. Так как емкость между двумя электродами вольтметра составляет 5...50 пФ, а сопротивление утечки – более 10¹³ Ом, электростатические вольтметры не подвержены влиянию на источник питания.

Рис. 2. Конструкция электростатического вольтметра:

1, 2 – электроды; 3 – флажок; 4 – ось; 5 – держатель; 6 – зеркало; 7 – успокоитель

Для измерения пульсирующего, переменного и импульсного напряжений применяются приборы с различными схемами включения конденсаторов и диодов. Схема простейшего пик-вольтметра показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема простейшего пиквольтметра: U – приложенное напряжение

Наиболее распространен метод измерения высокого напряжения с помощью шарового разрядника (ШР), основанный на следующем принципе. При заданных размерах электродов и одинаковых внешних условиях пробой воздушного промежутка происходит при определенной напряженности электрического поля Е _проб = Е _max:

где U – напряжение, приложенноек электродам;

а – расстояние между шарами;

f – коэффициент неравномерности электрического поля.

Следовательно, величина пробивного напряжения U _проб = E _пр а является функцией расстояния между шарами.

Определение величины U _проб производится по стандартным таблицам (табл. 1), при использовании которых необходимо учитывать:

1) данные таблиц различаются в соответствии со схемой подключения ШР – симметричной или несимметричной;

2) таблицы составлены для нормальных атмосферных условий (давление Р = 760 мм рт. ст., температура воздуха Т = 293 °К). Для определения действительного пробивного напряжениянеобходимо ввести поправочный коэффициент δ:

; ;

3) при определении импульсных высоких напряжений таблицы справедливы только для случаев воздействия импульсного напряжения в виде полной стандартной волны с учетом ее полярности. При иных формах импульсных волн разброс величин пробивных напряжений существенно увеличивается.Напряжение, при котором вероятность пробоя промежутка ШР составляет 50 %, носит название пятидесятипроцентного пробивного напряжения. Практически допускается определение U _проб. 50 % из опыта, в котором из 10 импульсов, поданных на ШР, будет отмечено 4...6 пробоев его промежутка.

Применение ШР как измерительного устройства с гарантируемой точностью производимых измерений порядка 3...5 % допустимо только при следующих соотношениях длины его промежутка ак диаметру шаров:

; .

Таблица 1

Зависимость разрядной характеристики от диаметра шаров

Расстояние между шарами, см	Диаметр шаров, см
6,25	12,5
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0	14,2 17,2 20,2 23,2 26,2 29,1 31,9	16,8 19,9 23,0 26,0 28,9 31,7
1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0	37,5 42,9 45,5 48,1 53,5 58,5	37,4 42,9 45,5 48,1 53,5 59,0
2,2 2,4 2,6 2,8 3,0	63,0 67,5 72,0 76,0 79,5	64,5 70,0 75,5 80,0 85,0	64,5 70,0 75,5 81,0 86,0
3,5 4,0 4,5 5,0	87,5 95,0 101,0 107,0		99,0
5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 9,0 10,0		154 / 164 161 / 173 168 / 181 174 / 189 185 / 203 195 / 215

Для устранения факторов, влияющих на точность измерений, необходимо:

· использовать шары точной геометрической формы;

· протирать поверхность шаров перед измерениями;

· не учитывать первый пробой промежутка.

Программа работы

1. С помощью ШР проградуировать на высокое напряжение вольтметр в первичной цепи высоковольтного трансформатора;

2. Измерить импульсное напряжение и напряжение промышленной частоты, вызывающее перекрытие поверхности изоляторов разных типов;

3. С помощью микроамперметра, низко- и высоковольтного электростатических вольтметров, осциллографа, пикового вольтметра и шарового разрядника измерить высокое напряжение:

● на выводах испытательного трансформатора;

● на выходе одно- и двухполупериодного выпрямителя;

● на выходе генератора импульсных напряжений.

Порядок выполнения работы

По п. 1. собрать схему (рис. 4). В соответствии с условиями соотношения а и D _ш определить допустимый интервал изменения длины воздушного промежутка между шарами.

Рис. 4. Схема подключения шарового разрядника:

ИТ – испытательный трансформатор; R₀ – токоограничивающий резистор;

ШР – шаровой разрядник

Определенный интервал разбить на 5–6 точек. Шары расположить на расстоянии, соответствующем некоторому напряжению U _2н, устанавливаемому по таблицам. Затем плавно увеличивать напряжение испытательного трансформатора до пробоя воздушного промежутка, в момент которого произвести отсчет напряжения в первичной цепи трансформатора U ₁ по вольтметру V₁. При каждой длине промежутка у ШР производить три измерения. Полученные опытные данные занести в табл. 2.

Таблица 2

Зависимость пробивного напряжения от расстояния
между электродами

а, см	U ₁, В	U _2н, кВ	U ₂, кВ	Примечание
			Среднее
					Р = … мм рт. ст. T= … °К D _ш = … см σ=

По п. 2. 1 – к выходным зажимам генератора импульсных напряжений (ГИН) или 2 – к выводам высоковольтного трансформатора параллельно подключают испытуемый изолятор и ШР с дистанционным приводом. Расстояние между шарами ШР выбирают заведомо большим, чем то, при котором ожидается разряд.

Включив ГИН или высоковольтный трансформатор, задают напряжение, незначительное уменьшение которого уже не вызывает перекрытия по поверхности испытуемого изолятора. Это минимальное напряжение перекрытия необходимо измерить. Для этого уменьшают расстояние между шарами ШР до тех пор, пока за определенный промежуток времени не сравняется число разрядов на изоляторе и в искровом промежутке ШР. Далее измеряют расстояние между шарами, по таблицам определяют напряжение перекрытия изолятора.

По п. 3. Собрать схемы, изображенные на рис. 1, 3 и 4, подключить параллельно источнику высокого напряжения. Данные измерений по каждому прибору для различных источников высокого напряжения занести в табл. 3.

Таблица 3

Измерение высокого напряжения

Регистрирующий прибор	Высокое напряжение, В
Промышленной частоты	Однополу-периодное выпрямление	Двухполу-периодное выпрямление	Импульсное
1. Микроамперметр 2. Вольтметр низковольтный электростатический 3. Вольтметр высоковольтный статический 4. Вольтметр пиковый 5. Шаровой разрядник

Содержание отчета

1. Программа работы;

2. Схемы испытаний;

3. Конструкция высоковольтного электростатического вольтметра;

4. Таблицы наблюдений;

5. Градировочная кривая U ₂ – f (U ₁) для испытательного трансформатора;

6. Данные измерений напряжения перекрытия по поверхности различных типов изоляторов;

7. Выводы по работе.

Лабораторная работа 9

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ПО ЦЕПИ ИЗОЛЯТОРОВ

Цель работы – исследование неравномерности распределения напряжения по изоляторам гирлянд и опорных колонок; ознакомление со способами выравнивания распределения напряжения.

Общие сведения. В высоковольтных электрических сетях и установках с номинальным напряжением свыше 10 кВ токоведущие части крепятся с помощью изоляторов, собираемых в подвесные гирлянды и опорные колонки.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды можно установить с помощью схемы замещения (рис. 1). На этой схеме R – сопротивление утечки по поверхности изоляторов; K – собственные емкости изоляторов; C _з – емкости между промежуточными электродами изоляторов и землей; C _п – емкости между промежуточными электродами и линейным проводом.

а) б) в)

Рис. 1. Гирлянда изоляторов (а), схемы замещения (б) и кривые
распределения напряжения по ее элементам (в):

1 – равномерное распределение напряжения;

2 – распределение напряжения с учетом С_з;

3 – реальная кривая распределения напряжения

Обычно гирлянды и опорные колонки комплектуются из однотипных изоляторов. Их собственные емкости К = 50…70 пФ имеют одинаковую величину. При чистой и сухой поверхности изоляторов R >> 1 / w K, поэтому распределение напряжения зависит только от емкостей К, C _з и C _п. Величины емкостей C _зи C _п зависят от места расположения изоляторов, в среднем емкость C _з = 2…5 пФ, а C _п = 0,5…1 пФ.Если предположить, что собственные емкости К равны между собой, а емкости C _з и C _правны нулю, то очевидно, что приложенное напряжение равномерно распределится по элементам цепочки (D U ₁ = D U ₂ =... = D U_n) (рис. 1, кривая 1). Наличие емкостей C _з и обусловленных ими поперечных токов смещения I _з влияет на величину продольных токов I _к. Продольные токи I _к уменьшаются по мере приближения рассматриваемого изолятора к земле, вследствие чего падение D U_i = 1 / j w K × I _к _i на элементах цепочки также снижается и D U ₁ > D U ₂ >... > D U_n (рис. 1, кривая 2). Токи I _п, протекающие через емкости C _п, частично компенсируют поперечные токи I _з и тем самым способствуют выравниванию распределения напряжения по элементам цепочки (рис. 1, кривая 3). Однако идеального выравнивания напряжения не происходит, так как C _з> C _п. Это обусловливает неравномерность распределения напряжения, особенно на элементах, ближайших к линейному проводу. С увеличением числа изоляторов в гирлянде неравномерность возрастает. Если не принять специальных мер, то на ЛЭП высокого напряжения (220 кВ и выше) часть изоляторов в гирляндах может оказаться под таким напряжением, что на них уже при рабочем напряжении и нормальных атмосферных условиях возникает корона, которая является источником радиопомех и причиной ускоренной коррозии арматуры и вызывает дополнительные потери энергии.

Выровнять распределение напряжения вдоль цепочки изоляторов можно с помощью специальной арматуры в виде экранных колец, восьмерок и овалов, укрепляемых в месте подводки линейного провода. Такая защитная арматура увеличивает емкость C _пи тем самым уменьшает долю напряжения, приходящуюся на ближние к проводу изоляторы.

Если в гирлянде имеются поврежденные изоляторы, то распределение напряжения становится еще более неравномерным: на поврежденном изоляторе уменьшается до нуля, а на других возрастает. Своевременное выявление поврежденных изоляторов в линейной и подстанционной изоляции – важное условие безаварийной работы электроустановок. Периодическая проверка изоляторов в гирляндах и колонках производится с помощью специальных штанг.

При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов R << I / j w K, поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды определяется, главным образом, сопротивлениями утечки. Если изоляторы загрязнены и увлажнены одинаково и равномерно по всей поверхности, то распределение напряжения выравнивается.

Распределение напряжения по изоляторам гирлянды для случая, когда поверхности изоляторов сухие и чистые, можно рассчитать по формуле

где U_x – напряжение в точке относительно земли;

U₀ – напряжение, приложенное ко всей гирлянде;

n – число изоляторов в гирлянде;

i – номер изолятора, считая от провода;

Программа работы

1. С помощью высоковольтного электростатического киловольтметра снять кривую распределения напряжения по гирлянде, состоящей из семи подвесных изоляторов типа ПФ6-А;

2. Измерить распределение напряжения вдоль гирлянды при наличии одного пробитого изолятора;

3. Измерить распределение напряжения вдоль гирлянды с защитной арматурой;

4. С помощью искрового промежутка снять кривую распределения напряжения по колонке, состоящей из опорных изоляторов.

Порядок выполнения работы

При выполнении всех пунктов программы гирлянда и колонка изоляторов подключаются к выводам высоковольтного испытательного трансформатора (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема для исследования распределения напряжения
по цепи изоляторов

Для построения кривой распределения напряжения по гирлянде используется метод поочередного измерения потенциалов ее промежуточных электродов V2 по отношению к земле с помощью электростатического киловольтметра типа С-100. Перед началом измерений по киловольтметру устанавливается величина напряжения, подводимого ко всей гирлянде, равная 50 кВ. В дальнейшем при всех измерениях потенциалов величина подводимого напряжения остается неизменной, что контролируется по вольтметру V1 в первичной обмотке ИТ. По полученным данным, записанным в таблицу, строится кривая распределения напряжения по изоляторам гирлянды.

Распределение напряжения на гирлянде

Номер электрода изоляторов гирлянды	U ₂,кВ	Примечание
Без защитной арматуры	С пробитым изолятором	С защитной арматурой
опыт	расчет	опыт	расчет	опыт	расчет
						U ₁ = В Отсчет номера изолятора от линейного провода

Пробитый изолятор в гирлянде имитируется путем его шунтирования проводником.

Для построения кривой распределения напряжения в колонке используется метод искрового промежутка (ИП), который подключается параллельно тому изолятору, падение напряжения на котором необходимо измерить. К колонке подводится высокое напряжение, постепенно повышаемое до тех пор, пока не произойдет пробой в ИП. В момент пробоя приложенное по всей колонке напряжение фиксируется по показанию вольтметра, включенного в первичную обмотку трансформатора. Опыт повторяется последовательно для всех изоляторов колонки.

Пусть D U – напряжение пробоя ИП. Эта величина напряжения неизменна, так как не меняется расстояние между электродами искрового промежутка. Обозначим величины напряжений, прикладываемых ко всей колонке, при которых происходит пробой ИП на 1, 2, …, n изоляторов через U ₁_в, U ₂_в,..., U_n _в. Тогда отношения

будут представлять собой доли напряжения, приходящегося на отдельный изолятор от напряжения, приложенного ко всей колонке:

Следовательно, доля напряжения, приходящаяся на i -й изолятор колонки,

Содержание отчета

1. Программа работы;

2. Принципиальные схемы испытаний;

3. Таблицы опытных данных и расчета; при расчете принять К = 50 пФ, С _з = 5 пФ, С _п = 1 пФ;

4. Графики кривых U ₂ = f (N _изол) по п. 1...4 и a _i = f (N _изол) по п. 3, 4;

5. Выводы по работе.

Лабораторная работа 10

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБМОТКАХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И ТРАНСФОРМАТОРОВ

Цель работы – изучение процесса распространения волн напряжения вдоль обмоток тяговых электрических машин и трансформаторов и методики определения параметров обмоток, характеризующих этот процесс.

Общие сведения. При воздействии импульсов перенапряжений на обмотки электрических машин и трансформаторов в последних возникают переходные процессы, которые по характеру сходны с процессами в однородной ЛЭП. Однако схема замещения этих обмоток (рис. 1) сложнее схемы замещения ЛЭП. В начальный момент времени при набегании волны напряжения ток, проходящий через индуктивные элементы обмотки, равен нулю.

Рис. 1. Схема замещения обмоток трансформаторов и электрических машин

Следовательно, для этого момента схема замещения обмоток состоит только из емкостей К ₀ и С ₀, и распределение напряжения между витками определяется только емкостными токами i₁>i₂ >…> i_n.

Закон изменения напряжения u = f(x)_t ₌ ₀в различных точках обмотки относительно земли при воздействии прямоугольной длинной волны с максимальным значением U ₀определяется при заземленном конце обмотки

u₍_x₎_t ₌ ₀ = U ₀,

при разомкнутом –

u₍_x₎_t ₌ ₀ = U ₀,

где

l – длина обмотки, м.

Напряжение u _уст изменяется по нисходящей прямой при заземленном конце обмотки, по горизонтальной прямой – при разомкнутом (рис. 2). В связи с тем, что элементы обмоток представляют собой колебательные контуры, переход от начального распределения потенциалов при t = 0 к установившемуся при t = ¥ протекает в форме свободных колебаний, амплитуда которых равна разности мгновенных значений начального и установившегося напряжений:

u (x)_max = u (х)_уст + u (х)_св.

u _{(x, t)}

u _max ~ 2 u_c

u _max

Рис. 2. Кривые начального и установившегося процессов распределения потенциалов обмотки трансформатора с заземленным (а)и изолированным (б)концами

В различных точках обмотки эти потенциалы достигают максимальных значений в разные моменты времени, поэтому строят кривую u _max, огибающую эти наибольшие значения (рис. 2). Она позволяет оценить величину напряжения, воздействующего в переходном процессе на корпусную изоляцию обмотки.

Рис. 3. Схема для исследования электростатических связей в обмотках трансформатора

В трансформаторах переход волны напряжения с одной обмотки на другую обусловлен наличием электромагнитных и электростатических связей между этими обмотками. Электромагнитная связь в основном осуществляется через магнитопровод трансформатора. Электростатические связи трансформатора (рис. 3) проявляют себя при большой крутизне воздействующего импульса напряжения.

Величина импульса напряжения U ₂, передающегося по электростатическим связям, определяется по формуле

где U ₁– напряжение воздействующего импульса на первичную обмотку транс-форматора;

C ₁₂ – емкость между обмотками;

C ₂₃ – емкость между вторичной обмоткой и землей.

При увеличении дополнительной емкости (C _доп) можно уменьшать коэффициент электростатической передачи.

Для определения напряжения u (х, t)и тока i (x, t)в любой точке обмотки электрической машины при заданной воздействующей волне напряжения на входе U ₀ необходимо знать обобщенные параметры:

v – скорость распространения волны, м/мкс;

Z _в – волновое сопротивление обмотки (для неискажающей линии – активное), Ом;

b– коэффициент затухания волны, 1/мкс.

Скорость распространения электромагнитной волны в обмотке можно определить по формуле

где l – длина одной параллельной ветви обмотки;

t _ок– время, в течение которого волна проходит от начала до конца ветви обмотки.

Чаще скорость распространения волны в обмотке определяют по данным измерения периода собственных колебаний напряжения в линии, т. е. интервала времени между периодически повторяющимися всплесками напряжения, наблюдаемыми на осциллограмме волны. Всплески напряжения можно рассматривать как результат наложения на подающую волну положительных волн, появляющихся при многократных отражениях от начальной и конечной точек линии. В данной работе разрядное сопротивление ГИНа мало, поэтому начальную точку обмотки можно считать заземленной, а конец обмотки разомкнутым (Z _ок = ¥). Величина Т (период собственных колебаний напряжения) может быть определена наложением на осциллограмму меток времени. После чего скорость vопределяется по формуле

Для экспериментального определения волнового сопротивления осциллографируют волну напряжения на разомкнутом конце обмотки. На осциллограмме отмечают ординату, равную половине амплитуды волны, т. е. определяют амплитуду волны на конце обмотки в случае, когда отраженная волна отсутствует. Оставляя щуп в конечной точке обмотки, постепенно уменьшают сопротивление резистора, включенного последовательно с обмоткой до тех пор, пока амплитуда на осциллограмме не уменьшится вдвое. Сопротивление магазина при этом будет равно волновому сопротивлению обмотки:

U_х _max = U _0max e ^– ^b ^t.

Коэффициент затухания b можно определить, зная амплитуды волн напряжения в двух различных точках обмотки в режиме Z _ок = Z _в и расстояние х между этими точками. Для этого используют график зависимости амплитуд волн напряжения в функции расстояния от начала обмотки.

В связи с неизбежным отклонением отдельных участков экспериментальной кривой от экспоненты коэффициент затухания необходимо рассчитать несколько раз, используя различные пары точек:

Напряжение, действующее на витковую изоляцию, определяют как разность мгновенных значений напряжений (с учетом их сдвига во времени), действующих на корпусную изоляцию двух смежных витков обмотки.

На практике зачастую ограничиваются определением максимального напряжения, приходящегося на витковую изоляцию первого витка. Рассмотрим сущность этого упрощенного метода. На рис. 4а показана схема простой левоходовой волновой обмотки (2 р = 4, S = K = 195), указан путь волны по одной из двух параллельных ветвей обмотки. Во время движения волны от начальной точки «а» первого витка до начальной точки «е» смежного с ним 195-го витка потенциал последней точки остается неизменным, а потенциал начальной точки первого витка изменяется по закону, представленному осциллограммой падающей волны в этой точке (рис. 4б). Для рассматриваемого примера максимальное витковое напряжение U _в_max определяется ординатой «ее'».

а)

б)

Рис. 4. Схема волновой обмотки электрической машины (а)
и осциллограмма падающей волны (б)

Программа работы

1. Экспериментальное определение распределения потенциалов по длине высоковольтной обмотки трансформатора в режимах заземленной и разомкнутой нейтрали;

2. Исследование электростатической передачи импульсного напряжения в трансформаторе;

3. Экспериментальное определение обобщенных параметров обмотки электрической машины;

4. Осциллографирование волн напряжения, действующих на корпусную изоляцию обмотки, в различных ее точках и режимах конца обмотки (Z _ок=¥, Z _ок=0, Z _ок= Z _в);

5. Определение максимального напряжения, действующего на витковую изоляцию.

Порядок выполнения работы

По п. 1. От генератора импульсных напряжений на вход ЯА высоковольтной обмотки испытуемого трансформатора (рис. 5) относительно земли подать импульсное напряжение. Подключая через делитель напряжения импульсный осциллограф к различным точкам – выводам (1, 2, 3 и т. д.) высоковольтной обмотки, определить значения импульсов напряжения, записать в таблицу.

Распределение напряжения по обмотке

Режим нейтрали	Номер вывода обмотки
		…	…	n – 1	n
Величина импульса напряжения, В
Нейтраль заземлена	Опыт
Расчет
Нейтраль разомкнута	Опыт
Расчет


Рис. 5. Схема для исследования распределения потенциалов вдоль обмотки трансформатора	Рис. 6. Принципиальная схема эксперимента для исследования распределения потенциалов вдоль обмотки тягового двигателя

По п. 3 и 4 собрать схему (рис. 6). Для определения периода собственных колебаний подключить делитель напряжения к концу обмотки при Z_ок = ¥ и по осциллографу найти значение Т. Технические данные исследуемой обмотки: число витков, его размеры, число параллельных ветвей – приведены на рабочем месте.

В случае, когда величина времени пробега волной одного витка весьма мала, максимальное напряжение, действующее на витковую изоляцию, приближенно можно найти по формуле

U_b _max = a _u · t _см_._вит,

где α_и – крутизна фронта падающей волны;

Содержание отчета

1. Программа работы;

2. Принципиальные схемы испытаний;

3. Опытные и расчетные кривые распределения потенциалов по высоковольтной обмотке в различных режимах нейтрали;

4. Кривая зависимости передающегося напряжения во вторичную обмотку трансформатора в функции емкости дополнительного конденсатора;

5. Результаты определения и расчета обобщенных параметров обмотки электрической машины;

6. Опытные кривые U_max = f(x) для режимов Z _ок = ¥, Z _ок = 0, Z _ок = Z_n и расчетная кривая для режима Z _ок = Z _в (все кривые в одной системе координат);

7. Выводы по работе.

Лабораторная работа 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОНЫ ЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ

Цель работы – экспериментальное и теоретическое определение зон защиты молниеотводов; расчет, настройка и ознакомление с монтажной схемой ГИНа.

Общие сведения. Защитное действие молниеотводов проявляется в лидерной стадии молнии. На некоторой высоте h, называемой высотой ориентировки молнии, начинает сказываться искажение поля под воздействием земных сооружений. По мере приближения канала лидера к поверхности земли происходит смещение зарядов под лидерным каналом, в результате чего напряженность электрического поля между головкой лидера и местом наибольшей концентрации зарядов на поверхности земли возрастает. Если силовая линия заканчивается на молниеотводе, то вероятность разряда в сооружение вблизи молниеотвода резко снижается.

Пространство, защищенное от прямых ударов молнии, называется зоной защиты молниеотвода (рис. 1). Границей зоны защиты одиночного молниеотвода является поверхность вращения с радиусом rх на уровне hх, которая вычисляется по формуле

Рис. 1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

h – высота молниеотвода; h_х – высота защищаемого объекта;

h_a = h – h_x – высота превышения молниеотвода над защищаемым объектом

(активная высота молниеотвода)

Построение зон защиты двух молниеотводов показано на рис. 2. Сечение зоны защиты в перпендикулярной плоскости и внешняя часть зоны защиты строятся аналогично сечению зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода.

Внутренняя часть ограничивается дугой окружности, которую строят по трем точкам: первая расположена между молниеотводами на высоте h_a:

где а – расстояние между молниеотводами, две другие – вершины молниеотводов.

Рис. 2. Зона защиты двух молниеотводов

На линиях электропередачи применяют тросовые молниеотводы. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода имеет форму конусообразного коридора (рис. 3). Расстояние r_х определяется по формуле

где k – коэффициент, принимаемый для ЛЭП равным 0,8; для сооружений на подстанции – равным 1,2.

Зона защиты для двухтросовых молниеотводов показана на рис. 4. Внутренняя часть зоны защиты двухтросового молниеотвода определяется дугой окружности, проходящей через тросовые молниеотводы и точку, расположенную на высоте h ₀:

Зоны защиты молниеотводов экспериментально исследуются на моделях. В качестве модели молнии используется импульсный разряд в искровой стадии, имеющий качественное сходство с разрядом молнии. Импульсные разряды получают с помощью ГИНа. ГИН настраивают на выходную волну, воспроизводящую по форме единичный разряд молнии.


Рис. 3. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода	Рис. 4. Зона защиты двух тросовых молниеотводов

Стилизованная форма импульсной волны показана на рис. 5, схема ГИНа – на рис. 6. В схеме многоступенчатого генератора конденсаторы С заряжаются через резисторы большого сопротивления R практически одновременно. При этом потенциалы точек 2, 4, 6 и т. д. равны зарядному напряжению U ₀. В начале пробивается воздушный промежуток разрядника P₁ и точка 3 приобретает потенциал U ₀, следовательно, точка 4 мгновенно приобретает потенциал 2 U ₀, так как напряжение на конденсаторе С не может измениться скачком. На Р₂ действует разность потенциалов 2 U ₀. Таким образом, последовательно пробиваются все разрядники в схеме ГИНа, а конденсаторы оказываются соединенными последовательно.

Рис. 5. Стилизованная форма импульсной волны

Их напряжения складываются, отсекающий разрядник P ₀ пробивается, и на выходе генератора формируется импульс напряжения апериодической формы.

Для устранения колебаний высоких частот в цепи разряда устанавливают демпфирующие сопротивления r _д.

Рис. 6. Принципиальная схема многоступенчатого ГИНа

Длительность фронта τ_ф и волны τ_в определяют по формулам

t_ф = (С _ф + С _об) (R _ф + R _д); t_в = ,

где С _ф – фронтовая емкость;

С _об– емкость объекта;

R _ф– фронтовое сопротивление;

R _д = r _л(п – 1) – суммарное сопротивление демпфирующих сопротивлений;

С – емкость одного конденсатора;

п – число ступеней ГИНа;

R_p – разрядное сопротивление.

Напряжение на выходе ГИНа

U _вых = U ₀ nK _исп,

где К _исп = 0,9К₁× К₂ – коэффициент использования ГИНа;

К₁ – коэффициент использования схемы;

К₂ – коэффициент использования волны;

Программа работы

1. Ознакомиться с монтажной схемой ГИНа, изучить все составляющие ее элементы, усвоить принцип работы многоступенчатого ГИНа;

2. При заданных параметрах ГИНа рассчитать и построить форму выходного импульса напряжения;

3. Снять осциллограмму выходного импульса напряжения;

4. Исследовать зоны защиты одно- и двухстержневых молниеотводов и тросового молниеотвода.

Порядок выполнения работы

По п. 1. После ознакомления с монтажной схемой ГИНа необходимо научиться регулировать величину напряжения генератора. Для этого нужно, установив небольшое расстояние между запальными шарами Р3, включить питание. Для повышения выходного напряжения следует увеличить расстояние между шарами и плавно, с помощью автотрансформатора, повысить питающее напряжение.

Регулировка напряжения ГИНа осуществляется только путем изменения расстояния между запальными шарами, но не изменением питающего напряжения. ВНИМАНИЕ! Прикосновение к любому элементу ГИНа допускается только после полного отключения установки и разряда всех конденсаторов штангой.

Параметры ГИНа записать в табл. 1.

Таблица 1

Параметры ГИНа

С _ф, пФ	С _об, пФ	R _ф, Ом	R _д, Ом	С ₁, мкФ	n, шт	R_r, Ом	К _исп =	К _{исп.теор}	τ_ф, мкс	τ_в, мкс

По п. 2. Для расчета и построения формы импульса выходного напряжения ГИНа необходимо использовать формулы:

на первой стадии –

u ₁(t) = U ₀(1 – e ^–^t ^/ ^t ф);

на второй стадии –

u ₂(t) = U ₀ e ^–^t ^/ ^t ф.

По п. 3. Осциллограмма выходного импульса снимается с помощью осциллографа, подсоединяемого к низкоомному сопротивлению специального делителя напряжения. ВНИМАНИЕ! При выполнении этого пункта программы строго соблюдать все правила техники безопасности, убедиться в надежности заземления делителя напряжения, корпуса осциллографа и сетки защитного ограждения.

При выполнении п. 4 к выходным зажимам ГИНа подключается ШР. Включается ГИН, на его выходе устанавливается напряжение U _вы_xпорядка 150 кВ. Произвести измерение этого напряжения шаровым разрядником и одновременно – с помощью киловольтметра напряжения U ₀ на конденсаторе первой ступени ГИНа. По величинам U _вых и U ₀определить значение К _исп. Затем при непрерывных разрядах на выходе ГИНа с частотой 1 имп/с электрод, имитирующий лидерный канал молнии, медленно перемещается с помощью изолирующей тяги до тех пор, пока разряды с молниеотвода не перейдут полностью либо на защищаемый объект (30), либо на землю. В первом случае объект находится вне зоны защиты молниеотвода, во втором – в зоне защиты.

Опыт повторяется с изменением расстояния между молниеотводом и ЗО до тех пор, пока разряды с молниеотвода не будут переходить последовательно сначала на ЗО, затем на землю. В данном случае расстояние между молниеотводом и ЗО является радиусом r_х зоны защиты молниеотвода на высоте ЗО h_x.

Для построения ряда точек защитной зоны молниеотвода опыт повторяется для нескольких объектов различной высоты. Затем определяется радиус защитной зоны для случая, когда ЗО отсутствуют. С этой целью необходимо измерить расстояние, на которое смещается электрод, имитирующий канал молнии, по отношению к молниеотводу при переходе разрядов с молниеотвода на «землю».

Зона защиты молниеотвода определяется на основе полученных данных, сведенных в табл. 2.

Таблица 2

Зона защиты молниеотвода

Номер защищаемого объекта	h, см	h_х, см	h_а, см	r_х, см	Примечание

Подобным образом определить зоны защиты двух стержневых и тросового молниеотводов.

Содержание отчета

1. Программа работы;

2. Электрическая схема генератора импульсных напряжений;

3. Данные параметров монтажной цепи генератора;

4. Расчетная и опытная кривая выходного импульса напряжения;

5. Графические построения зон защиты молниеотводов;

6. Вывод по работе.

Лабораторная работа 12

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работ ы – изучение конструкций и исследование характеристик аппаратов защиты от перенапряжений.

Общие сведения. Ограничители напряжения предназначены для защиты изоляции электрических установок от перенапряжений. Они подключаются параллельно защищаемой изоляции. В большинстве случаев одной из точек подключения ограничителей напряжения является земля или заземленные конструкции установки.

Ограничители напряжения подразделяются на разрядники и полупроводниковые ограничители напряжения. К разрядникам относятся защитные воздушные промежутки, трубчатые и вентильные разрядники. Последние имеют наиболее совершенные характеристики и пока применяются в промышленности.

Элементы вентильного разрядника: искровые промежутки (ИП), рабочее сопротивление, постоянные магниты, высоковольтные сопротивления, служащие для равномерного распределения напряжения между ИП, корпус и детали крепления.

ИП отделяют рабочее сопротивление разрядника от токоведущих частей установки при отсутствии перенапряжений. При появлении опасных для изоляции перенапряжений, превышающих импульсное пробивное напряжение разрядника, между электродами ИП возникает искровой разряд, в результате чего рабочее сопротивление оказывается включенным в цепь разрядного тока. Ток разрядника имеет две составляющих: вызванную волной перенапряжения и обусловленную действием рабочего напряжения установки. Вторая составляющая называется сопровождающим током разрядника.

Рабочее сопротивление разрядника выполняется на базе электротехнического корборунда, обладающего свойствами полупроводниковых материалов. В зависимости от составляющих и технологии изготовления получают вилит или тервит. От названия материала рабочего сопротивления, применяемого в разряднике, получили название и сами вентильные разрядники – вилитовые, тервитовые.

Постоянные магниты создают в зоне ИП магнитное поле, в результате чего на электрическую дугу, возникающую между электродами ИП при их пробое, действуют электромагнитные силы, которые вызывают перемещение и удлинение дуги. Это способствует гашению дуги сопровождающего тока.

Принцип действия вентильного разрядника можно рассмотреть с помощью принципиальной схемы (рис. 1). При отсутствии перенапряжений рабочее сопротивление R разрядника отключено от токоведущей части установки ИП. Воздействие опасной для изоляции защищаемого объекта (ЗО) волны импульса перенапряжения приводит к пробою ИП. При этом все напряжение прикладывается к рабочему сопротивлению R, величина которого резко уменьшается из-за вентильных свойств материала. Импульсный ток разрядника составляет сотни и тысячи ампер. По мере уменьшения волны перенапряжения рабочее сопротивление R возрастает, что приводит к уменьшению тока, протекающего через разрядник.

Рис. 1. Принципиальная схема включения разрядника

В конце процесса по цепи разрядника протекает лишь сопровождающий ток, величина которого для вилитовых разрядников составляет 80–90 А. Дуга сопровождающего тока гасится в ИП.

Напряжение срабатывания разрядника U _{ср.разр.} – это напряжение, при котором пробиваются воздушные ИП. На рис. 2 показаны кривые волн напряжения. Напряжение на разряднике после его срабатывания называется остающимся напряжением (U _ост). Время от начала воздействия волны перенапряжения до момента пробоя ИП называется предразрядным временем (t _{ср.разр.}).

Рис. 2. Вид напряжений, воздействующих на изоляцию без подключения

и с подключением разрядника: 1 – воздействующая на установку

при отсутствии разрядника (U _гин), 2 – напряжение пробоя изоляции (U _пр.из.),

3 – после срабатывания подключенного разрядника

Вольт-секундная характеристика – это зависимость пробивного напряжения от предразрядного времени (рис. 3). Условия правильной координации изоляции требуют, чтобы вольт-секундная характеристика ограничителей напряжения располагалась ниже вольт-секундной характеристики изоляции ЗО на 20–25 %.

В настоящее время в условиях эксплуатации электрооборудования находят широкое применение нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Основным элементом данного типа защитных аппаратов являются оксидно-цинковые варисторы (ОЦВ). ОЦВ – это нелинейные резисторы, обладающие свойством резко изменять свое сопротивление при изменении напряжения, обеспечивая пропуск больших токов при высоком напряжении (превышающем величину напряжения лавинообразования) и практически не пропуская токи при низком напряжении.

По сравнению с разрядниками ОПН обладают некоторыми преимуществами:

● не имеют ИП;

● практически исключают возможность протекания сопровождающего тока;

● малое время срабатывания;

● обладают более высокой надежностью и требуют меньших эксплуатационных затрат.

Схема замещения ОЦВ (варистора) может быть представлена упрощенной моделью (рис. 4).

Рис. 4. Схема замещения оксидно-цинкового варистора

При приложении к варистору номинального напряжения промышленной частоты ток, протекающий через варистор I_t, может быть разделен на емкостную I _c (преобладающую) и активную I_r составляющие.

Вольт-ампернаяхарактеристика (ВАХ) оксидно-цинковых варисторов – это зависимость остающегося напряжения на ОЦВ от максимального значения импульсов тока различной формы: τ_ф/τ_в(грозовых 8/20 и 4/10, коммутационных 30/60). В области малых значений токов ВАХ ОЦВ представляет зависимость амплитудного напряжения промышленной частоты или постоянного напряжения от амплитудного значения активной составляющей тока.

ОЦВ применяются в ограничителях перенапряжений, работающих в линиях электропередачи и контактных сетях электрифицированных железных дорог переменного и постоянного токов, поэтому ВАХ варисторов в области длительно допустимых напряжений исследуются при постоянном и переменном напряжении.

Программа работы

1. Изучение конструкции вентильного разрядника и ОПН;

2. Снятие статической ВАХ варисторного ограничителя перенапряжений;

3. Исследование зависимости величины остающегося напряжения на ограничителе от величины воздействующего перенапряжения;

4. Экспериментальное определение вольт-секундной характеристики изоляции ЗО;

5. Определение вольт-секундной характеристики разрядника;

6. Определение вольт-секундной характеристики полупроводникового ограничителя напряжения.

Порядок выполнения работы

По п. 1. Изучить конструкции указанных ограничителей напряжения и выполнить их эскизы с использованием фронтального разреза.

По п. 2. Статическая ВАХ при напряжении промышленной частоты снимается на установке, принципиальная схема которой приведена рис. 5.

Для получения на выходе установки высокого напряжения (до 7,5 кВ_действ) промышленной частоты необходимо:

● открыть верхнюю крышку установки;

● на правой стороне снять пластмассовую панель с металлическими ограничителями и надписями «АС» и «DC»;

● переключить тумблер в положение «АС»;

● установить пластмассовую панель так, чтобы металлические ограничители попали в соответствующие пазы;

● закрыть верхнюю крышку установки (подробная инструкция на рабочем месте).

S₂

Рис. 5. Принципиальная схема для экспериментального определения
статической вольтамперной характеристики ОПН

Напряжение регулируется с помощью ручки регулятора на передней панели высоковольтной установки. Контроль напряжения, подаваемого на первичную сторону источника высокого напряжения (ИВН), проводится при помощи вольтметра V на передней панели установки.

Для получения вольтамперной характеристики варистора необходимо:

● поместить исследуемый варистор в зажим испытательной камеры;

● плотно закрыть крышку камеры;

● установить переключатель S₂ в положение «R_ш»;

● соединить измерительные кабели с электронным осциллографом С1-93;

● кабель № 1 для измерения напряжения состыковать с входной клеммой первого канала осциллографа;

● кабель № 2 для измерения тока подсоединить ко входу второго канала;

● снять заземляющую штангу с зажима испытательной камеры;

● включить установку ИВН выключателем S₁ (тумблер на передней панели установки), проверить по вольтметру Vналичие напряжения. Если напряжение не равно нулю, то при помощи регулятора Т₁ установить нулевое значение напряжения;

● установить чувствительность пластин осциллографа таким образом, чтобы напряжение, равное произведению сопротивления шунта R _ш (его значение указано на установке под переключателем S₂) на минимальное значение измеряемого тока, дало отклонение луча первого канала осциллографа порядка 1 см;

● при помощи регулятора напряжения Т₁ поднять напряжение до получения небольшого отклонения луча.

Величина измеряемого тока определяется из соотношения

где Y ₁– отклонение первого луча, см;

к₁– чувствительность пластин осциллографа, определяемая по шкале на передней панели, В/см;

R _ш – сопротивление шунта, Ом.

Величина измеряемого напряжения равна

U_m = Y ₂ k ₂ k _д,

где Y ₂– отклонение второго луча, см;

k ₂– чувствительность пластин второго канала осциллографа, В/см, с учетом дополнительного делителя, расположенного у осциллографа;

k _д– коэффициент деления делителя напряжения (его значение указано под переключателем S₂).

Для построения зависимости величины тока от напряжения необходимо провести 10–15 измерений при изменении приложенного напряжения, причем величина тока не должна выходить за пределы 5∙10^–3 А. Полученные значения напряжения и тока занести в табл. 1.

Таблица 1

Данные для построения зависимости тока от напряжения

Параметр	Номер измерения

U_m,В
I_m,мА
Y ₁, см
Y ₂, см

По п. 3. Схема установки приведена на рис. 6. Защищаемая изоляция представляет собой воздушный промежуток П между двумя сферическими электродами. Посредством ключа К1 ЗО (промежуток П) может подключаться к ГИНу. Пробивное напряжение промежутка П можно регулировать путем изменения расстояния между электродами. Величина его задается преподавателем. Полупроводниковый ограничитель напряжения (ОН) или вентильный разрядник типа РМВУ-3,3 подключается параллельно ЗО с помощью ключа К2.

Рис. 6. Принципиальная схема установки для определения зависимости величины
остающегося напряжения от величины перенапряжения

Процессы наблюдаются на экране электронного осциллографа (ЭО), подключенного через омический делитель напряжения (ДН), состоящий из резисторов R₁ и R₂.

Устанавливается заданная величина воздушного промежу