Оглавление
Лабораторная работа №1. 6
Лабораторная работа №2. 22
Лабораторная работа №3. 32
Лабораторная работа №4. 78
Практическое занятие 1. 88
Практическое занятие 2. 97
Практическое занятие 3. 116
Практическое занятие 4. 133
Практическое занятие 5. 161
Практическое занятие 6. 183
Практическое занятие 7. 194
Введение
Целью дисциплины «Техника высоких напряжений» является формирование профессиональных компетенций ПК-8, ПК-14, будущего бакалавра по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника. Дисциплина предполагает знание студентами следующих дисциплин: «Теоретические основы электротехники», «Электротехническое и конструкционное материаловедение», «Высшая математика», «Физика» «Химия». В результате выполнения практикума у студента формируются указанные выше компетенции, приобретаются знания по устройству изоляции высоковольтных установок, профилактическому контролю изоляции, причин возникновения и методов ограничения перенапряжений в электроэнергетических системах, появляются навыки практического применения теоретических знаний для контроля состояния изоляции высоковольтных установок.
Лабораторная работа №1
Пробой газового промежутка в однородных и неоднородных полях
Цель работы: Исследование разрядных напряжений воздушных промежутков с различными системами электродов: сфера – сфера, стержень – стержень, стержень - плоскость; определение воздействия границы раздела твердый диэлектрик – воздух на разрядное напряжение межэлектродного промежутка, изучение особенностей работы изоляции в проходном и опорном изоляторе.
В результате выполнения лабораторной работы у студента формируются компетенции ПК-8 (способностью использовать технические средства для измерения и контроля основных параметров технологического процесса), ПК-14 (способностью применять методы и технические средства эксплуатационных испытаний и диагностики электроэнергетического и электротехнического оборудования).
Теоретическая часть
В обычных условиях воздух является диэлектриком, то есть не проводит электрический ток. Однако за счет ионизации от внешних источников, в основном за счет ионизирующего излучения от солнца и других источников, в газе образуются свободные электрические заряды, за счет которых начинает протекать электрический ток Основной причиной появления заряженных частиц в воздухе на начальном этапе является фотоионизация. Это приводит к незначительному количеству заряженных частиц в газе при нормальных внешних условиях (например в воздухе содержится 1000 ионов в 1 см3). При приложении большой напряженности электрического поля в газе возникает ударная ионизация, за счет чего поддерживается протекание тока через газ и разряд становится самостоятельным. Подробно развитие разряда в газе описано в литературе и лекциях.
Пробоем изоляцииназывают потерю диэлектриком изолирующих свойств при превышении некоторого критического значения напряжения, приложенного к электродам, такое напряжение называется пробивным Uпр. Соответствующая напряженность электрического поля, при которой происходит пробой, называется электрической прочностью газа при данных условиях Eпр=Uпр/h, где h – расстояние между электродами.
Пробивное или разрядное напряжение газового промежутка зависит от формы электродов и степени однородности электрического поля. В однородном или практически однородном электрическом поле, которое образуют системы электродов плоскость – плоскость, сфера – сфера при расстоянии между сферами меньше их диаметра, разряд развивается сразу по всей длине промежутка, что приводит к образованию искрового или, при достаточной мощности источника питания, дугового разряда. В поле с большой неоднородностью (электроды типа стержень – плоскость, стержень – стержень) сначала возникает коронный разряд, который при дальнейшем увеличении напряжения переходит в искровой разряд. Электрическая прочность промежутка с неоднородным полем в несколько раз меньше, чем с однородным электрическим полем.
На величину разрядного напряжения газового промежутка влияет несколько факторов. 1) основными частицами, участвующимив пробое газа, являются отрицательно заряженные электроны, так как их подвижность намоного выше, поэтому при постоянном или импульсном напряжении пробивное напряжение газового промежутка с несимметричными системами электродов зависит от полярности приложенного напряжения. 2) После ионизации нейтральных молекул в газе появляются положительные ионы, отличающиеся малой подвижностью, которые уменьшают или резко усиливают поле вблизи электрода с меньшим радиусом кривизны. 3) на развитие стримера оказывает влияние фотоионизация, термоионизация и процессы на электродах.
По этой причине промежуток с резконеоднородным полем меньшей электрической прочностью. В системе электродов стержень – плоскость пробивное напряжение зависит от полярности приложенного напряжения.
Зависимость пробивного напряжения от расстояния для промежутка с однородным и практически однородным полем описывается зависимостью Пашена – пробивное напряжение увеличивается с ростом расстояния между электродами, а электрическая прочность уменьшается.
Присутствие в межэлектродном газовом промежутке твердых тел или наличие поверхности раздела твердый диэлектрик – газ приводит к снижению пробивного напряжения промежутка. Это обусловлено возникновением неоднородности электрического поля вследствие различия в диэлектрических проницаемостей твердого диэлектрика и газа. Разряд по поверхности твердого диэлектрика называется перекрытием по поверхности.
Оборудование и материалы
В ходе лабораторной работы используются аппараты АИД-70/50, а также различные системы электродов.
1 Устройство и работа лабораторной установки. Аппарат АИД-70/50 выполнен в виде двух переносных блоков, соединенных кабелем: блока высокого напряжения (БВН) и блока управления (БУ). Конструкция блоков представлена на рисунках 1.2 и 1.3.
БВН состоит из следующих компонентов: высоковольтный испытательный трансформатор, короткозамыкатель, высоковольтный резистор, выпрямительные диоды. Все это расположено в баке, заполненном трансформаторным маслом.
Верхняя панель БВН выполнена из гетинакса. БВН выполнен герметично для предотвращения контакта воздуха с трансформаторным маслом.
Проходной изолятор используется для вывода высокого напряжения из БВН, к данному изолятору подключается испытываемый объект.
Под кожухом БВН находится электромагнит механизма заземлителя, конденсаторы и разрядники.
На кожухе БВН закреплена табличка «Аппарат АИД-70/50. Блок высокого напряжения. Зав. N°...» (номер состоит из 6-ти цифр: две первые -заводской номер аппарата, четыре последние - год выпуска).
БУ включает в себя регулируемый автотрансформатор, предназначенный для изменения первичного напряжения испытательного высоковольтного трансформатора, разъёмы для подключения кабелей питания и блока высокого напряжения, компенсационный трансформатор, схему защиты и органы управления.
Рисунок 1.1 – Блок высокого напряжения
На рисунке 1.1 приняты следующие обозначения: 1 – зажим для присоединения испытываемого объекта; 2 – штанга механизма короткозамыкателя; 3 – уплотнительное кольцо; 4 – болт крепления ручки кожуха; 5 – клемма заземления; 6 – кожух; 7 – проходной высоковольтный изолятор; 8 – шильдик блока высокого напряжения.
На лицевой панели БУ (рисунок 1.2) расположены измерительные приборы, органы управления и сигнализации.
Рисунок 1.2 – Блок управления:
На рисунке 1.2 приняты следующие обозначения: 1 – миллиамперметр измерения тока утечки в мА; 2 – ручка регулятора испытательного напряжения; 3 – киловольтметр измерения выходного напряжения в кВ; 4 – красная сигнальная лампа (включение испытательного напряжения); 5 – зеленая сигнальная лампа (включение сети); 6 – переключатель со спецключом для переключения вида испытательного напряжения и для включения аппарата в сеть; 7 – кнопка включения испытательного напряжения; 8 – кнопка выключения испытательного напряжения; 9 – кнопка переключения градуировки киловольтметра; 10 – кнопка переключения диапазона миллиамперметра – 1мА; 11 – разъёмы подключения; 12 – предохранители; 13 – клемма заземления; 14 – крышка нижняя; 15 – крышка верхняя.
На боковой панели БУ расположены разъемы для соединения с БВН, подключения питания, винт заземления.
Принцип действия аппарата АИД-70/50 заключается в следующем: Напряжение питания подается на БУ, а затем, через плавкие вставки попадает на пускатель и переключатель 6 (рисунок 1.3).
При установке переключателя 6 в положение «~» или «–» включается пускатель и электромагнит штанги заземлителя, который отводит штангу от верхнего кольца проходного изолятора БВН. Включается зеленая сигнальная лампа 6 (рисунок 1.2). Включение короткозамыкателя БВН происходит только при установке переключателя 6 в положение «~». В этом случае выпрямительные диоды БВН шунтируются. На выходе проходного изолятора БВН появляется переменное испытательное напряжение.
Включение испытательного напряжения производится нажатием кнопки 7, при этом необходимо, чтобы напряжение на регуляторе было установлено равным 0. Пускатель включается и подает напряжение на первичную обмотку высоковольтного трансформатора БВН, включается красная сигнальная лампа 4. Величина испытательного напряжения регулируется поворотом ручки 2, а измеряется вольтметром PA2 в кВ. При работе на постоянном напряжении ток через объект испытания измеряется амперметром 1.
Высоковольтный резистор применяется для измерения испытательного напряжения. Вольтметр 3 (рисунок 1.2) имеет две шкалы: нижняя для измерения переменного напряжения с пределом 50 кВ, и верхняя для измерения постоянного напряжения с пределом70 кВ.
Вольтметр настраивается на правильные показания при различных условиях работы: при переменном испытательном напряжении, при постоянном испытательном напряжении для нагрузки с малой емкостью (до 750 пФ), при постоянном напряжении для нагрузки с большой емкостью (более 750 пФ), так как при этом будет различным форма выходного напряжения. Это обусловлено тем, что в аппарате реализовано однополупериодное выпрямление. При малой емкости среднее значение выпрямленного напряжения меньше, а при большой емкости объекта – большее за счет эффекта емкостного сглаживающего фильтра.
При работе аппарата на постоянном напряжении необходимо строго следить за положением тумблера 9 "Х.ХОД-КАБЕЛЬ" (для правильного измерения испытательного напряжения и во избежание выхода из строя БВН за счёт превышения предельного значения напряжения, равного 70 кВ).
При испытании изоляции диэлектриков и объектов с малой емкостью переключатель 9 должен находиться в положении "Х.ХОД".
Переключение пределов измерения амперметра и его отключение на переменном токе производится специальным реле в блоке усправления
Для защиты аппарата от токов перегрузки служит специальное реле.
При работе аппарата на постоянном напряжении реле защиты от перегрузки срабатывает при токах нагрузки, находящихся в пределах от 13 до 14 мА, а при работе на переменном напряжении – при токах нагрузки в пределах от 45 до 46 мА.
По окончании испытания, для снятия остаточного заряда, ручка регулятора напряжения БУ переводиться в крайне положение вращением против часовой стрелки, и при снижении напряжения на испытываемом объекте до 0,5... 1 кВ (во избежание повреждения вторичной обмотки трансформатора БВН), аппарат отключается кнопкой 8 "ВЫКЛ". При этом отключается пускатель блока управления и срабатывает короткозамыкатель блока высокого напряжения. Отсутствие остаточного заряда можно контролировать киловольтметром 3.
При отключении аппарата от сети переключателем 6, заземлитель RE блока высокого напряжения касается высоковольтного вывода лока высокого напряжения. Таким образом, происходит наложение заземления на испытываемый объект и источник испытательного напряжения.
Указания по мерам безопасности.
Все лица, работающие по эксплуатации и техническому обслуживанию аппарата, должны быть предварительно обучены безопасным методам работы на данном аппарате, и знать в соответствующем объёме "Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правила безопасной эксплуатации электроустановок потребителей" (ПТЭЭП и ПБЭЭП).
Рабочее место персонала должно соответствовать требованиям пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004-76.
Прежде чем приступить к работе на аппарате, необходимо:
– удалить блок управления от БВН на безопасное расстояние, но не менее чем 3 м;
– надёжно заземлить БУ и БВН с помощью прилагаемых к аппарату гибких медных проводов сечением 6 мм2, с кольцевыми наконечниками с одной стороны и зажимами типа «крокодил» – с другой. Каждый блок должен заземляться на шину заземления отдельным проводником.
Рабочее место должно быть снабжено ограждениями, автоматическим отключением при проникновении за ограждение, световой сигнализацией, предупреждающими плакатами. Работать на аппарате возможно только с под надзором преподавателя.
ЗАПРЕЩАЕТСЯ:
– работа аппарата без заземления;
– последовательное соединение блоков БУ и БВН по заземлению;
– работа на аппарате с неисправными заземлителем и световой сигнализацией;
– находиться ближе 3 м от БВН в момент включения аппарата в сеть, а также при включенном испытательном напряжении.
– Работать без средств индивидуальной защиты (диэлектрический коврик и перчатки)
Прежде чем отсоединить испытуемый объект от БВН, необходимо обязательно убедиться в том, что:
– стрелка киловольтметра находится на отметке шкалы "0";
– аппарат отключен от сети;
– штанга заземлителя БВН касается высоковольтного вывода. При необходимости наложить заземляющую штангу на объект испытаний или высоковольтный вывод БВН для предотвращения случайного включения высокого напряжения.
4. Порядок работы на аппарате АИД 70/50.
Прежде чем приступить к работе на аппарате, необходимо убедиться в исправности цепей заземления аппарата визуальным осмотром, проверить правильность подключения соединительных проводов. Рабочее положение блока управления - вертикальное (лицевая панель блока управления - горизонтальна!). В том случае, если блок управления будет установлен горизонтально, погрешность показаний измерительных приборов может превышать 3%; надёжно заземлить блок управления и БВН гибкими медными проводами сечением 6 мм, прилагаемыми к аппарату.
Рисунок 1.3 – Схема электрическая принципиальная соединения
БВН и БУ аппарата АИД-70/50
РАБОТА БЕЗ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЗАПРЕЩАЕТСЯ!
Подключить объект испытаний с помощью прилагаемого высоковольтного кабеля (входит в состав лабораторной установки) к высоковольтному выводу и клемме заземления БВН; подключить сетевой кабель к блоку управления и к сети.
Лица, присутствующие при испытании, должны быть удалены от БВН на расстояние не менее 3 м или за ограждение. Ключем включить блок управления на необходимый вид испытательного напряжения. При этом должна загореться зелёная сигнальная лампочка «Сеть».
При работе на выпрямленном напряжении (ключ переключателя в положении «–») во избежание выхода из строя БВН, а также для правильного измерения величины испытательного напряжения, строго следить за положением тумблера «Х. ХОД-КАБЕЛЬ».
Поворачивая ручку регулятора испытательного напряжения против движения часовой стрелки, установить её в исходное положение, соответствующее минимуму испытательного напряжения.
Включить испытательное напряжение кнопкой «Испытание» при этом должна загореться красная лампочка «Испытание».
Перемещая ручку регулятора испытательного напряжения по часовой стрелке установить необходимую величину испытательного напряжения по показаниям вольтметра.
При работе с объектами, обладающими большой емкостью, необходимо помнить, что испытательное напряжение на объекте увеличивается по мере заряда ёмкости, и поэтому подъем напряжения продолжается и после прекращения вращения ручки регулятора напряжения.
В этом случае следует ограничить скорость вращения ручки регулятора напряжения минимально возможными значениями, подъём напряжения надо осуществлять медленно и плавно, не допуская превышения допустимой величины испытательного напряжения на объекте и не допуская превышения наибольшего рабочего напряжения аппарата, равного 70 кВ.
При работе на постоянном напряжении измерение тока до 1 мА следует производить миллиамперметром аппарата при нажатой кнопке «1 мА».
По окончании испытания установить регулятор испытательного напряжения в начальное положение, повернув ручку против часовой стрелки до упора. Отключить кнопкой "СТОП" испытательное напряжение и только после этого отключить аппарат от сети, повернув ключ в положение «0».
После испытания объекта с большой емкостью, например конденсатора или кабеля, необходимо уменьшить испытательное напряжение регулятором до минимума, а затем дождаться снижения напряжения на испытуемом объекте до 0,5 – 1 кВ. Контроль над снятием остаточного ёмкостного заряда с испытуемого объекта необходимо осуществлять, наблюдая за показанием измерительного прибора аппарата. Только после снижения напряжения до 0,5 – 1 кВ нужно нажать кнопку «СТОП» и затем отключить аппарат от сети, установив переключатель 6 БУ в положение «0». Вольтметр при этом должен показывать нулевые значения.
При испытании объектов, величина емкости которых более 0,02 мкФ (20 нФ), остаточный емкостной заряд необходимо снимать только с помощью заземляющей штанги с ограничительным сопротивлением. Такой способ позволит избежать выхода из строя высоковольтной обмотки трансформатора БВН.
Перед отключением испытуемого объекта от БВН необходимо визуально убедиться в том, что штанга заземлителя касается высоковольтного ввода БВН, при этом также рекомендуется дополнительно наложить временное заземление на высоковольтный вывод.
