Лекции

При постоянном напряжении интенсивность частичных разрядов резко уменьшается, и газовые включения не представляют такой опасности, как при переменном напряжении. Благодаря этому рабочая напряженность в изоляции кабелей с вязкой пропиткой может быть увеличена в 5-7 раз и такие кабели могут использоваться при постоянном напряжении до 220 кВ.

Для напряжений 110-220 кВ промышленной частоты используются маслонаполненные кабели, которые, как правило, выполняются одножильными. В таких кабелях ленточная бумажная изоляция прпитывается маловязким маслом, которое может перемещаться внутри жилы вдоль кабеля и находится под избыточным давлением. Благодаря этому исключается возможность появления в изоляции газовых включений при циклических изменениях температуры и длительная электрическая прочность повышается в 3 раза и более по сравнению с прочностью изоляции, пропитанной вязкими составами.

Для поддержания неизменного давления в кабеле в условиях эксплуатации на кабельной линии через каждые 1-2,5 км устанавливаются баки давления. Устройство бака давления схематично показано на рис.5.7. По давлению маслонаполненные кабели делятся на кабели низкого (до 0,2 МПа), среднего (0,4-0,5 МПа) и высокого (0,8-1,6 МПа) давления. С увеличением давления масла электрическая прочность растет, однако конструкция упрочняющих покровов и уплотнений в муфтах усложняется. В маслонаполненных кабелях на напряжения 110-220 кВ особое внимание уделяется регулированию электрических полей. Прежде всего жила кабеля выполняется из проволок специального профиля, а не из круглых, как в кабелях на напряжения до 35 кВ.

Рис 5.7.

9

При напряжениях 110-150 кВ переменного тока до недавнего времени наибольшее распространение у нас в стране имели маслонаполненные кабели высокого давления в стальных трубах. Устройство таких кабелей показано на рис.5.8. В стальном трубопроводе, заполненном маловязким маслом под давлением около 1,5 МПа, помещаются три круглые жилы с изоляцией, которая пропитана вязкими составами. Изоляция покрыта эластичным, герметически плотным слоем (полиэтилен и др.), который предотвращает контакт контакт изоляции с маслом в трубе, а также увлажнение изоляции при транспортировке и монтаже. Элластичное покрытие свободно передает изоляции давление масла, заполняющего стальную трубу.

Рис.5.8

Впоследние годы все более широкое распространение на напряжении

10-500 кВ получают силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

(например, среди кабелей среднего напряжения кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена занимают 80-85% рынка в США и Канаде, 95% - в Германии, Дании, 100% - в Японии, Финляндии, Швеции и Франции).

Вотличие от кабелей с бумажной пропитанной или маслонаполненной изоляцией, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (российское обозначение – СПЭ, английское - XLPE, немецкое – VPE, шведское - PEX) обладают наилучшими электрическими и механическими свойствами и самым длительным сроком службы среди других типов кабеля, выпускаемых серийно. Срок службы кабеля 110 кВ без пробоев составляет как минимум 50 лет.

По современной технологии процесс вулканизации (сшивки) полиэтиленовой изоляции производится химическим способом в среде

нейтрального газа при давлении 8-9 атмосфер и температуре 285-400°С, что обеспечивает отсутствие газовых включений в изоляции и на границе с экранами.

Сейчас ведутся работы по созданию кабелей с газовой изоляцией под давлением. В стальной трубе на распорках из твердого диэлектрика закреплена токоведущая жила (или три жилы). Линия собирается из отрезков

10

таких труб и заполняется элегазом под давлением. Такие кабели имеют ряд преимуществ: сравнительно простую конструкцию; малые диэлектрические потери; характерную для внешней изоляции способность к восстановлению электрической прочности после случайного пробоя; малую емкость на единицу длины. Расчеты показывают, что такие кабели будут особенно эффективны при сверхвысоких напряжениях (750-1150 кВ) и могут оказаться экономически более выгодными, чем ВЛ.

Для ввода больших мощностей в крупные города и промышленные центры разрабатываются кабели с охлаждением токоведущих жил до температуры жидкого азота (77 К – криорезистивные кабелизначительное уменьшение активного сопротивления) или жидкого гелия (около 5 К – эффект сверхпроводимости).

Кабельные муфты. Для соединения отрезков кабеля в линию, а также для присоединения концов кабеля к шинам распределительных устройств или аппаратов выполняются соединительные и концевые муфты. Устройство кабельных муфт и их изоляции зависит, естественно от конструкции кабеля. Однако во всех случаях учитывается то обстоятельство, что монтаж выполняется в полевых условиях и изоляция в муфтах имеет более низкое качество, чем в самом кабеле. Поэтому изоляционные расстояния в муфтах увеличиваются. Эскиз соединительной кабельной муфты показан на рис.5.9.

Рис. 5.9

5.5 Изоляция вращающихся машин

Общие сведения. К вращающимся машинам высокого напряжения относятся турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели большой мощности с номинальным напряжением 3 кВ и выше. Как источники энергии или приводы крупных агрегатов они выполняют исключительно важные функции, поэтому к машинам высокого напряжения в целом и к их изоляции в частности предъявляются очень высокие требования в отношении надежности и сроков службы.

Номинальные напряжения генераторов в настоящее время достигают 20 кВ. Активные матриалы, т.е. медь обмотки и сталь статора, работают во вращающихся машинах при больших удельных нагрузках (плотностях токов, индукциях). Соответственно потери в единице объема этих материалов

11

получаются высокими, и для эффективного отвода выделяющегося тепла требуются большие превышения температур активных частей над температурой охлаждающей среды. При поверхностном (косвенном) охлаждении обмотки, когда тепло от меди отводится через изоляцию, все это обуславливает необходимость высоких допустимых температур и высокой теплопроводности изоляции. В случае внутреннего (непосредственного) охлаждения, осуществляемого за счет принудительной циркуляции газа или жидкости (воды, масла) по встроенным в обмотку полым проводникам, требования к теплопроводности снижаются.

Во вращающихся машинах изоляция работает в условиях постоянной вибрации, особенно сильной на лобовых частях обмотки. Кроме того, она эпизодически подвергается ударным механическим воздействиям, возникающим при прохождении по обмотке больших токов во время внешних КЗ, при включении в сеть в режиме самосинхронизации и т.д. Устройство изоляции вращающейся машины высокого напряжения определяется конструкцией ее статорной обмотки, которая зависит от мощности и номинального напряжения машины, от частоты вращения ротора и системы охлаждения.

Конструкция изоляции. Изоляция статорных обмоток вращающихся машин подразделяется на главную (корпусную) и продольную. Главной называется изоляция между проводниками обмотки и корпусом. Она имеет разную конструкцию на пазовых и лобовых частях катушек, а также на выводах (линейных и у нейтрали). К продольной относится изоляция между витками одной катушки, т.е. междувитковая (у стержневых обмоток отсутствует), а также изоляция между уложенными в одном пазу катушками.

Междувитковой изоляцией, а также изоляцией между элементарными проводниками обычно служит собственная изоляция обмоточных проводов.

Главная изоляция статорных обмоток вращающихся машин высокого напряжения в связи с очень высокими требованиями к электрической и механической прочностям и нагревостойкости выполняется только на основе слюдяных изоляционных материалов. При этом исходные материалы и технология изготовления выбираются такими, чтобы достигались высокая прочность и монолитность изоляции в целом. Объясняется это тем, что, несмотря на высокую короностойкость самой слюды, частичные разряды в газовых включениях, воздействуя на связующие материалы, все же ограничивают сроки службы изоляции. Кроме того, газовые прослойки сильно снижают механическую прочность и теплопроводность изоляции. Типичный случай расположения обмотки в пазу и конструкции изоляции в пазовой части показан на рис.5.10.

Все машины высокого класса напряжения изготавливаются с непрерывной изоляцией, которая получается путем пропитки и опрессовки намотанных на стержень лент из слюдяных материалов. Такая изоляция имеет одинаковые структуру и прочность на всех участках обмотки.

До недавнего времени основным видом непрерывной изоляции во вращающихся машинах высокого напряжения была компаундированная

12

изоляция, которая обладает достаточно высокой влагостойкостью. Однако эта изоляция имеет недостатки, обусловленные применением в ней в качестве пропитывающего материала термопластичного, т.е. размягчающегося при нагреве, компаунда. С повышением температуры по мере размягчения компаунда электрическая и механическая прочность компаундированной изоляции существенно снижается, а проводимость и диэлектрические потери резко возрастают. В результате допустимая

температура для нее составляет только 105°С.

Рис.5.10

По мере увеличения единичных мощностей машин и номинальных токов, а соответственно и механических усилий на обмотки недостатки компаундированной изоляции проявлялись все в большей степени; для крупных генераторов мощностью 300 МВт и более она оказалась непригодной.

В современных крупных генераторах, а также в большинстве машин средней мощности используется термореактивная изоляция, разновидности которой у нас в стране называют «слюдотерм», «монолит», а за рубежом – «термопластик», «микадур» и т.д. Такая изоляция не размягчается при нагревах (общее свойство термореактивных смол) и сохраняет высокую механическую и электрическую прочность. По сравнению с компаундированной она в нагретом состоянии имеет в 1,5-2,0 раза более высокую электрическую прочность, в 4-5 раз большую прочность на разрыв и в 3-4 раза меньшие диэлектрические потери. Однако термореактивная изоляция более хрупкая, что усложняет укладку стержней в пазы статора.

Для машин на напряжения 6 кВ и выше большое значение имеет регулирование электрического поля в изоляции статорной обмотки, основной задачей которого является устранение частичных разрядов в воздушных щелях между поверхностью изоляции и стенками пазов и особенно скользящих разрядов по поверхности изоляции в местах выхода обмотки из паза статора, где поле получается резконеоднородным.

13

ЛЕКЦИЯ 13

РАЗДЕЛ 6

Перенапряжения в электроэнергетических установках и защита от них

Введение

6.1Грозовые перенапряжения и молниезащита электрических установок

6.1.1Молния как источник грозовых перенапряжений

6.1.1.1Развитие молнии

6.1.1.2Электрические характеристики молнии

6.1.1.3Характеристики грозовой деятельности

6.1.1.4Шаровая молния

6.1.2Молниеотводы

6.1.2.1Принцип действия молниеотводов

6.1.2.2Зоны защиты молниеотводов

Введение

Надежная работа электрических систем высокого напряжения в основном определяется изоляцией и теми напряжениями, которые на эту изоляцию воздействуют. При нормальной работе электрической системы изоляция токоведущих частей находится под фазным напряжением сети. Однако по различным причинам в той или иной части электрической системы напряжение может повышаться и значительно превышать напряжения нормального режима.

Перенапряжения – повышения напряжения, которые могут быть опасными для изоляции. Перенапряжения можно разделить на внутренние и внешние (атмосферные).

Атмосферные перенапряжения возникают при поражении электрической установки грозовыми разрядами. С грозовым разрядом при отсутствии специальной защиты связано возникновение волн перенапряжений, достигающих нескольких миллионов вольт. Такие перенапряжения достаточны для перекрытия и повреждения изоляции установок любого номинального напряжения. Поэтому защита от атмосферных перенапряжений является обязательным элементом надежной работы электрической системы.

Внутренние перенапряжения возникают при переключениях в сети, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, а также при резонансных явлениях, возникающих на длинных линиях и в несимметричных режимах. Внутренние

1

перенапряжения, которые существенно зависят от характеристик оборудования, в первую очередь выключателей, и схем сети, имеют обычно амплитуды в пределах 2,5-3,5 фазного напряжения сети. Изоляция электрических установок рассчитывается на воздействие внутренних перенапряжений.

6.1 Грозовые перенапряжения и молниезащита электрических установок (атмосферные или внешние перенапряжения)

6.1.1 Молния как источник грозовых перенапряжений

6.1.1.1 Развитие молнии

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

Капли воды, достигшие области отрицательных температур, замерзают. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается тонкой корочкой льда. Выделяющееся при этом тепло поддерживает

температуру внутри капли около 0°С. Имеющиеся в воде положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою капли и заряжают его положительно, в то время как жидкой части капли (сердцевине) сообщается при этом избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопается и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а верхняя положительно (рис.6.1). Это один из основных процессов электризации грозовых облаков, и поэтому в большинстве случаев (до 90%) молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицательный заряд.

В средних широтах землю поражают 30-40% общего числа молний, остальные 60-70% составляют разряды между облаками или между разноименными заряженными частями облаков.

Грозовое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательными зарядами, образует гигантский конденсатор, другой «обкладкой» которого является земля, где на поверхности индуктируются положительные заряды.

2

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см в зависимости от высоты облака над землей), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

Механизм развития молнии

1) Начальная стадия – лидерная

Молния представляет собой относительно медленно (V≈1,5 105 м/с) развивающийся слабо светящийся канал – лидер. Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектах возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десяток и сотен ампер.

2) Главный разряд

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Промежуток этот пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается к облаку

со скоростью от 1,5 107 до 1,5 108 м/с (0,05-0,5 скорости света). Процесс этот называется главным разрядом и сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже одной – двух сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течении этого очень короткого времени канал

разряда разогревается до температуры 20-30 тыс.°С.

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемое как гром. Во время главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера.

3) Завершающая (финальная) стадия

По каналу в течении десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов – так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью превосходящей скорость лидера первого разряда и имеющей порядок 106 м/с, поскольку он развивается по уже образованному каналу. Скорости нарастания тока

3

главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как молнии. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с.

6.1.1.2 Электрические характеристики молнии

Переход от лидерной стадии к главному разряду можно имитировать замыканием на землю вертикального заряженного провода (рис.6.2). Будем считать, что во время лидерной стадии сформировался проводящий канал (вертикальный провод) с постоянной плотностью отрицательного заряда на

единицу длины σ (Кл/м) . При замыкании ключа К происходит нейтрализация отрицательного заряда за счет положительных зарядов, поступающих в канал молнии с поверхности земли.

Если волна нейтрализации распространяется вверх со скоростью V , то амплитуда тока:

IM=σ V

(6.1)

Если провод замыкается на землю через некоторое сопротивление R, то ток уменьшается и определяется как

IM =σV	Z	(6.2)
	Z + R

где z – эквивалентное волновое сопротивление канала молнии (300-

600 Ом)

При таких значениях z влияние сопротивления заземления, по крайней мере до R=50 Ом, невелико и с достаточной степенью точности для расчетов молниезащиты можно принимать эквивалентное волновое сопротивление канала молнии бесконечно большим, т.е. рассматривать молнию как источник тока.

С точки зрения электромагнитного воздействия на установки ВН важное значение имеют форма и значение тока главного разряда. Приближенно он имеет вид апериодического импульса (рис. 6.3).

Важнейшей характеристикой является максимальное значение тока молнии IM , часто называемое просто током молнии.

Крутизна фронта тока молнии

	a =	diM	(6.3)
		dt

определяет индуктивные падения напряжения в проводниках и индуктированные напряжения магнитно-связанных цепях. Однако удобнее бывает пользоваться средней крутизной

acp =

IM

(6.4)

τô

4

это не вносит существенной ошибки при способе определения продолжительности фронта, показанном на рис.6.3.

Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая положительная корреляционная связь: большим токам соответствует большая крутизна. Однако данных пока недостаточно, поэтому принято

считать IM и a независимыми случайными величинами. В этом случае:
P(IM,a)≈ P(IM)+ P(a)	(6.5)

где P(IM) и P(a) – вероятности того что ток молнии и крутизна будут
равны или превысят заданные значения
P(IM ) = e	−0,04I M	(6.6)
P(a) = e−0,08a		(6.7)

При проектировании молниезащитных устройств необходимо учитывать тепловое и электродинамическое действия молнии. Значения зарядов, переносимых молнией, характеризуют энергию, выделяющуюся в точке удара молнии, и расплавление металла в этом месте. Интеграл квадрата

тока ∫iM2 dt , называемый также иногда интегралом действия или импульсом

квадрата тока, определяет механические воздействия и нагрев проводников при прохождении по ним тока молнии.

6.1.1.3 Характеристики грозовой деятельности

Одновременно на земном шаре существует примерно 2000 грозовых очагов, из которых ежесекундно происходит около 100 ударов молнии.

Интенсивность грозовой деятельности в данной местности характеризуется средним числом грозовых часов в году DГ. Число грозовых часов минимально в высоких широтах и постепенно увеличивается к экватору, где повышенная влажность воздуха и высокая температура, способствует образованию грозовых облаков, практически в течении всего года.

На основании многолетних метеорологических наблюдений для России построена карта грозовой деятельности.

Таблица 6.1

Интенсивность грозовой деятельности в России

DГ, ч	Регион
Менее 10	Крайний север
От 10 до 20	Игарка, Якутск, Верховья Оби
20-40	Санкт-Петербург, Дальний Восток
40-60	Европейская часть, Новосибирск, Красноярский край
60-100	Горные районы
Более 100	Красная поляна, Сочи

5