Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

Магистратура

Техника высоких напряжений

Лабораторный практикум

Электронное издание

Красноярск

СФУ

2013

1

УДК 621.3.027.3(07) ББК 31.24я73

Т381

Рецензент: Ю.П. Попов, канд. техн. наук, проф. кафедры «Электротехнические комплексы и системы»

Составители: Тимофеев Сергей Александрович Тихонов Анатолий Александрович

Т381 Техника высоких напряжений: лаб. практикум [Электронный ресурс] / сост. С.А. Тимофеев, А.А. Тихонов. – Электрон.дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. – Систем.требования: PC не ниже класса PentiumI; 128 MbRAM; Windows 98/XP/7; AdobeReaderV8.0 и выше. – Загл. с экрана.

Лабораторный практикум предназначен для студентов всех форм обучения укрупненной группы 140000 «Энергетика, энергетическое машиностроение». Направление 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.3.027.3(07) ББК 31.24я73

© Сибирский федеральный университет, 2013

Учебное издание

Подготовлено к публикации Издательским центром БИК СФУ

Подписано в свет 25.03.2013 г. Заказ 596. Тиражируется на машиночитаемых носителях.

Издательский центр Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79

Тел/факс (391) 206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru

2

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВКАХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Высоковольтные установки, применяемые в учебной лаборатории, представляют повышенную опасность электротравматизма, а поэтому все лица, работающие и обучающиеся в лаборатории, обязаны знать и соблюдать правила техники безопасности при работе с установками высокого напряжения, инструкции по технике безопасности, а также правила освобождения пострадавшего от действия электрического тока и оказания ему первой помощи.

При работе с высоковольтными установками недопустимо присутствие на рабочих местах посторонних лиц. На установках высокого напряжения должны работать не менее двух человек.

Запрещается включать установку до проверки преподавателем собранной студентами схемы.

При выполнении лабораторных работ иногда необходимо многократно менять схему, вводить новые элементы и т.д. поэтому, приступая к очередным опытам, всякий раз надо тщательно проверять схему установки, заземление, исправность блокировки ограждения, положение регулятора напряжения. Перед подачей напряжения следует убедиться в отсутствии за ограждением людей.

Включая высокое напряжение, необходимо громко предупредить: «ВКЛЮЧАЮ ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ». Категорически запрещается входить за ограждение во время выполнения работы, оставлять установку без присмотра.

Установки и аппараты высокого напряжения должны находиться под напряжением лишь в то время, которое требуется для производства наблюдений и испытаний.

По окончании опыта оператор полностью отключает установку и говорит: «ОТКЛЮЧЕНО». Только после этого можно открыть дверь ограждения. Первый из входящих в испытательную зону разряжает высоковольтные конденсаторы и накладывает заземление на высоковольтный вывод трансформатора.

Кроме перечисленных правил, в каждой высоковольтной лаборатории есть общая инструкция по технике безопасности, по которой студенты проходят инструктаж в начале учебного семестра.

С особенностями работы отдельных установок студенты знакомятся во время инструктажа на рабочем месте.

3

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЁТА

По лабораторной работе студенты должны оформить отчёт. Отчёт должен содержать следующее:

1.Цель работы.

2.Схему испытательной установки.

3.Расчётные формулы.

4.Результаты испытаний (таблицы с данными опытов, осциллограммы и

др.).

5.Графики по данным таблиц, осциллограмм, расчётов.

6.Выводы по работе.

Отчёт выполняется на тетрадных листах. Первая страница – титульный лист, на котором указывают название университета, кафедры, лабораторной работы, фамилию и номер группы студента, выполнившего работу, год (приложение 4).

К отчёту прилагают черновик данной работы, завизированный преподавателем.

Графики выполняют в удобном для прочтения масштабе. Размер графиков должен быть не менее 10 12 см (половины тетрадной страницы). На осях координат наносят равномерные цифровые шкалы и проставляют буквенные обозначения и размерности проставляемых величин. Графики вычерчивают по лекалам по чётко нанесённым точкам так, чтобы кривая вскрывала закономерность, содержащуюся в опыте, и проходила с наибольшим приближением к экспериментальным точкам. Если в графике несколько кривых, то их точки наносят различными способами. Кривые нумеруют, а расшифровку дают на свободных полях графика.

Применяемые студентами терминология, графические обозначения должны соответствовать ГОСТу.

Все схемы, графики, таблицы вычерчивают карандашом с помощью циркуля, линейки, лекала. Выполнение схем и графиков ручкой или фломастером не допускается.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Цель работы: Определение состояния электрооборудования с помощью тепловизионного контроля, измерения сопротивлений, ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Общие сведения

Надёжность электрооборудования высокого напряжения в первую очередь определяется надежностью его изоляции. Повысить эксплуатационную надежность работы изоляции можно с помощью диагностики и контрольных испытаний. Основная задача таких испытаний – своевременное выявление дефектов и оценка состояния электрооборудования. Эксплуатационный контроль оборудования не ограничивается испытанием изоляции, необходимо также контролировать состояние контактов токоведущих частей, тепловой режим и т.д.

Конечным результатом контроля является определение пригодности объекта к дальнейшей эксплуатации.

Тепловизионный контроль

В настоящее время все большее распространение находит тепловизионный контроль электрооборудования. Инфракрасные радиометрические камеры, тепловизоры, позволяют сделать видимым тепловое инфракрасное излучение, занимающее диапазон от 0,75 до 750 мкм. Тепловизоры используются для контроля состояния трансформаторов, генераторов, оборудования подстанций, проверки контактных соединений. Они обеспечивают возможность получения картины теплового поля исследуемого объекта. С помощью другого радиационного прибора – пирометра, определяется только температура какого–либо объекта.

Оценка теплового состояния электрооборудования и токоведущих частей осуществляется прежде всего по нормированным значениям температуры нагрева (табл. П1–1). При этом определяются следующие показатели:

Превышение температуры – разность между измеренной температурой нагрева и значением температуры окружающего воздуха.

Избыточная температура – превышение измеренной температуры контролируемого узла одной фазы над температурой аналогичных узлов других фаз (с наименьшей температурой нагрева) или заведомо исправного узла. При избыточной температуре контактных соединений ≥ 30 ˚С дефект считается аварийным и требует немедленного устранения.

5

Коэффициент дефектности – отношение измеренного значения превышения температуры нагрева контактного соединения к значению превышения температуры, измеренной на целом участке шины (провода), отстоящем от контактного соединения не менее чем на 1 м. Для контактных соединений аварийным дефектом считается соединение с коэффициентом дефектности ≥ 1,5.

Оценка теплового состояния электрооборудования (силовые и измерительные трансформаторы, маслонаполненные аппараты и др.), а также контактов, находящихся в объеме масла или газа, изолированном от окружающего воздуха металлическими или изоляционными материалами, производится косвенным способом. В этом случае возможность непосредственного измерения температуры нагрева контролируемого узла с помощью тепловизора исключена.

Суждение о тепловом состоянии контролируемого объекта осуществляется путем выявления температурных аномалий на поверхности его бака или покрышки, измерения значений температуры и анализа характера ее распределения, сопоставления мест нагрева с аналогичными участками фазы или других фаз.

Контроль за состоянием изоляции по её сопротивлению

Для выявления возникающих в изоляции дефектов применяются и другие методы испытания. Одними из самых распространенных являются: измерение сопротивления изоляции постоянному току и определение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Сопротивление изоляции постоянному току является важнейшим показателем состояния изоляции. Его измерения – неотъемлемая часть пусконаладочных и профилактических испытаний изоляции.

Если к любой изоляции приложить постоянное напряжение и при этом замерять протекающий через неё ток, то можно получить зависимость тока утечки (iут) от времени приложения напряжения (рис. 1.1).

Ток утечки представляет собой сумму двух токов: iут = iабс + iск, где iабс – ток абсорбции; iск – сквозной ток или ток сквозной проводимости. Ток абсорбции обусловлен быстрыми поляризационными процессами, происходящими с момента приложения напряжения. Он быстро затухает с течением времени. Сквозной ток обусловлен наличием хотя бы небольшого числа свободных зарядов имеющихся в изоляции. Как видно из рис. 1.1, после завершения процессов поляризации через изоляцию протекает только сквозной ток. Об изменении этих токов можно судить по временной зависимости сопротивления изоляции показанной на рис. 1.2. Для исключения влияния токов абсорбции, измерение сопротивления изоляции производят обычно через 60 с после подачи напряжения. При этом сопротивление изоляции (R60) приближается к своему установившемуся значению равному сопротивлению сквозной проводимости. Значительное снижение R60 указывает на сильное увлажнение или загрязнение объема или поверхности изоляции. Резкое снижение сопротивления возможно также при наличии сквозного или почти сквозного сосредоточенного дефекта. Скорость изменения сопротивления от времени (рис. 1.2) определяется всеми основными параметрами изоляции. Поэтому зависимость R(ι) содержит ценную информацию о состоянии изоляции. Например, в случае увлажнения изоляции, R60 значительно уменьшается (кривая 2) и сопротивление достигает значения близкого к установившемуся значению уже через 15 с (R15).

Таким образом, по отношению сопротивлений R60 / R15 называемому коэффициентом абсорбции можно судить об увлажнении или загрязнении изоляции. В нормальном состоянии изоляции R60 составляет не менее 1 МОм на 1кВ номинального напряжения, а коэффициент абсорбции Кабс = R60 / R15 > > 1,3.

Коэффициент абсорбции и сопротивление изоляции зависят от температуры. Поэтому абсорбционная характеристика служит хорошим показателем качества изоляции только при температурах ниже 35 40˚С.

При напряжениях до нескольких киловольт для измерения сопротивлений применяются мегаомметры. При более высоких напряжениях используются источники выпрямленного напряжения и измеряется ток проводимости – величина, обратная сопротивлению.

Мегаомметр состоит из источника напряжения постоянного тока и измерительного элемента, обычно измеряющего ток Ix через изоляцию объекта (рис. 1.3). Шкала прибора градуируется в значениях сопротивления; для этого напряжение источника U должно быть стабильным. Применяются и логометрические измерители, показания которых пропорциональны частному отделения напряжения на измеряемый ток.

Объект с сопротивлением Rx присоединяется к выводам “rx” и “+” мегаомметра. Вывод “Э” предназначен для присоединения цепей экранирования. Экранирование применяется в случаях, когда необходимо исключить влияние поверхности изоляционной конструкции или ограничить область контролируемой изоляции. Для исключения влияния состояния поверхности, на наружной части изоляционной конструкции около электрода, соединенного с выводом “rx” мегаомметра, устанавливается экранирующее кольцо из мягкого провода, соединяемое с выводом “Э” (рис. 1.4,а). Для ограничения контролируемой области изоляции потенциал экрана мегаомметра подается на соответствующий электрод (рис. 1.4,б).

При измерениях мегаомметрами следует учитывать возможность возникновения погрешности из-за остаточного заряда емкости объекта. Поэтому перед повторными измерениями сопротивления изоляции необходимо не менее чем на 5 мин заземлить выводы объекта, создав путь для стекания абсорбционного заряда.

При применении мегаомметров со встроенным генератором для определения коэффициента абсорбции, присоединение измерительного вывода (“rx”) к измеряемому объекту рекомендуется производить после достижения частоты вращения ручки генератора 120 об / мин, а отсчет показаний прибора через 15 и 60 с от начала прикосновения вывода rx к объекту. Для обеспечения безопасных условий работы рекомендуется использование щупов с изолирующими рукоятками.

В случае питания мегаомметра от сети или от химических элементов отсчет показаний прибора производится от момента подачи напряжения на объект.

Провода, соединяющие выводы rx и Э мегаомметра с объектом, должны быть рассчитаны на класс напряжения мегаомметра.

Контроль за состоянием изоляции по тангенсу угла диэлектрических потерь

При воздействии электрического поля на изоляцию в ней происходит рассеяние энергии. Диэлектрическими пот-рями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и расходуемую на нагрев диэлектрика. Этот нагрев приводит к ухудшению важнейших свойств материала и к ускорению процессов его старения.

8

Через реальную изоляцию с диэлектрическими потерями, при воздействии переменного напряжения протекает ток I, имеющий две составляющие: активную Ia и реактивную (ёмкостную) Ic. Поэтому эквивалентная схема замещения изоляции с потерями может быть представлена в виде параллельно соединенных конденсатора и активного сопротивления (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма изоляции с потерями

Для такой схемы местоположение вектора на векторной диаграмме определяется геометрическим сложением вектора Ia, совпадающего по фазе с приложенным напряжением, и вектора Ic, опережающего по фазе напряжение на

90˚.

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90˚ угол сдвига фаз φ между током I, протекающим через изоляцию, и приложенным к ней напряжением. Чем больше этот угол, тем больше диэлектрические потери, расходуемые на нагрев изоляции. Обычно в качестве параметра материала или изоляционной конструкции приводят тангенс угла диэлектрических

потерь tg δ = Ia .

Ic

По значению tg δ можно судить о надежности изоляции в отношении теплового пробоя (о тепловой стойкости), общем ее старении и степени увлажнения. Измерение tg δ является наиболее распространенным методом обнаружения общего ухудшения состояния изоляции. Старение изоляции, сопровождающееся ее химическим разложением, деструкцией или расслоением, увлажнение изоляции, появление в ней большого числа газовых включений всегда приводит к росту диэлектрических потерь и может быть обнаружено измерением tg δ.

Значение tg δ обычно не превышает сотых или десятых долей единицы, поэтому его принято измерять в процентах. Предельное значение tg δ для конкретных электроустановок не должно быть больше установленного Нормами испытаний электрооборудования.

Для эксплуатационного контроля изоляции применяется схема измерений с мостом Шеринга (рис. 1.6).

9

Рис. 1.6. Мостовая схема измерений емкости и tg δ.

Схема состоит из контролируемого объекта с параметрами Сх и tg δ, образцового конденсатора С0, цепей уравновешивания (магазины сопротивления R3 и емкости – C4) и указателя равновесия моста u.

Процесс измерения заключается в уравновешивании (балансировке) мостовой схемы, для чего поочередными изменениями сопротивления резистора R3 и емкости C4 производят выравнивание напряжений плеч Z3 и Z4 моста. При равновесии моста, что устанавливается по отсутствию показаний указателя равновесия (УР), выполняется равенство ZХ Z4 =Z0 Z3, исходя из которого определяются параметры изоляции контролируемого объекта:

tg δ = ω C4 R4 и Сx = R4 Cо.

R3

Наиболее распространенный в эксплуатации измерительный мост Р5026 и образцовый конденсатор Р5023 обеспечивают возможность измерений при высоком напряжении до 10 кВ на трех диапазонах измерения емкости (А1, А2, А3)

ипри низком напряжении (50 В от встроенного трансформатора, диапазоны А4

иА5) Предусмотрено два диапазона измерения tg δ:

N = 1 (R4=10000 / π) и N = 0,1 (R4=1000 / π).

Упрощенная схема моста в диапазонах измерений на высоком напряжении приведена на рис. 1.7.

В диапазоне А1 ток объекта протекает только по резистору R3 моста; в

диапазонах А2 и А3 включаются шунты (Rшэ + Rшээ или Rшэ ). Переключатель

SA2 позволяет присоединить конденсатор С4 к резистору R4 (измерение положительных значений tg δ) или к резистору R3 (измерение отрицательных значе-

10