11.4.Макеты силовых кабелей 1…35 кВ.

Макеты силовых кабелей выполнены на отрезках силовых кабелей 1…35 кВ с графическим представлением каждого из них в поперечном и продольном сечениях. Кабели на 110…330 кВ представлены графичеки.

11.5. Порядок выполнения работы.

К заданию 1,2,3. Теоретически освоить классификацию, маркировку кабелей, представленных в разделе 11.2.

К заданию 4. С помощью макетов силовых кабелей 1…35 кВ ознакомиться с конструкцией и назначением каждого из компонентов представленных кабелей.

К заданию 5. Для пяти марок кабелей, заданных преподавателем, расшифровать маркировку и привести графически продольное и поперечное сечение каждого слоя. Описать назначение каждого из них.

11.6. Контрольные вопросы.

1. Объясните влияние различных факторов (давление, температура и т.д.) на электрическую прочность кабельной бумаги.

2. Почему электрическая прочность бумажно-маслянной изоляции при постоянном напряжении выше, чем при переменной?

3. Объясните механизм теплового пробоя кабельной изоляции.

4. В каком объеме испытываются кабельные линии?

5. Какие методы испытания кабельных линий Вы знаете?

6. Почему испытание кабельных линий производится повышенным напряжением постоянного тока?

Лабораторная работа №12 Методы и техника профилактических испытаний

12.1. Цель работы

Освоить методику неразрушающих электрических испытаний изоляции высоковольтного оборудования.

12.2. Программа работы

Ознакомиться с инструкцией по технике безопасности на рабочем месте.

Задание 1. Измерить мегомметром сопротивление изоляции.

Задание 2. Определить тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ).

Задание 3. Определить величину заряда частичных разрядов.

Задание 4. Определить относительную влажность изоляции.

Задание 5. Снять и построить кривую возрастного напряжения U = γ (t) для конденсатора С = мкФ.

Задание 6. Снять и построить кривую «саморазряда» U = f (t) для конденсатора С = - мкФ, заряженного до U = 6 кВ.

Задание 7. Определить электрическую прочность масла на АМИ-80.

12.3. Теоретические сведения

Цель испытаний – своевременное обнаружение производственных дефектов и дефектов, возникающих в процессе эксплуатации.

В процессе эксплуатации в изоляции электрических аппаратов возникают дефекты, приводящие к необратимому ухудшению свойств и характеристик изоляции, т.е. к старению изоляции.

Виды дефектов изоляции: увлажнение, старение за счет снижения S, расслоение (образование воздушных или газовых включений), образование трещин и разрывов, загрязнение изоляции (наружной и внутренней), появление участков сквозной проводимости (дендриты и т.д.), дефекты производственные (недоброкачественная пайка, плохая пайка, обрыв проводов и т.д.).

Старение электрической изоляции обусловлено за счет электрического, химического, термического и механического воздействия.

Электрическое старение – уменьшение электрической прочности под действием длительно приложенного рабочего напряжения, а также от воздействия грозовых и внутренних перенапряжений.

Химическое изменение химических свойств и структуры материала, образование новых продуктов под действием влаги, кислорода, озона и т.п.

Термическое – изменение свойств материала под действием высоких температур, а также вследствие местных объемных перегревов диэлектрическими потерями.

Механическое – потеря механической прочности под действием ударов, гололеда, динамических усилий при коротких замыканиях.

Процесс образования дефектов и разрушения изоляции протекает вначале весьма медленно, на последних стадиях имеет скачкообразный характер и заканчивается пробоем изоляции.

Мероприятия, обеспечивающие надежную работу изоляции в условиях эксплуатации включает создание условий для нормальной работы изоляции; текущие и аварийные ремонты, а также профилактические испытания.

Комплекс профилактических испытаний включает испытания повышенным напряжением (разрушающие испытания), неразрушающие электрические методы и неразрушающие неэлектрические методы, а также электрические методы контроля изоляции под рабочим напряжением (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Профилактические испытания изоляции высоковольтного напряжения

Для характеристики состояния изоляции составляется схема замещения; отклонение в величинах тех или иных элементов схемы позволяет определить характер возникающих в изоляции дефектов при помощи различных методов профилактических испытаний. Элементарная схема замещения изоляции, приведённая на рисунке 12.2.

Рис. 12.2. Элементарная схема замещения изоляции

Схема состоит из четырёх ветвей, определяющих основные характеристики изоляции.

1. С1-С0-С2 - ветвь, определяющая ёмкость изоляции при наличии частичных разрядов, где:

С0 - ёмкость воздушных включений;

С2 - ёмкость воздушных включений той части изоляции, которая пересекается силовыми линиями проходящими через воздушное включение;

С1 - ёмкость остальной части 'изоляции.

2. C-R - ветвь, характеризующая степень неоднородности изоляции наличие расслоений, увлажнений, загрязнений и т.д. Это ветвь определяет начальное значение и постоянную времени спадания тока абсорбции, а также и диэлектрические потери в изоляции.

3. S - ветвь, определяющая разрядное напряжение в изоляции.

4. R - ветвь, определяющая сопротивление изоляции постоянному току сквозной проводимости.

Под влиянием электрического поля в изоляции происходят процессы поляризации, обусловленные смещением электрических зарядов к электродам противоположных знаков в результате этих процессов на поверхности диэлектрика накапливается заряды разных знаков.

Ток, возникающий при смещении зарядов до момента установления равновесного состояния, называется током абсорбции.

t

Рис. 12.3. Зависимость I и R от времени приложения

Этот ток является кратковременным, быстро изменяется во времени по закону

где: т - постоянная времени ветви Р-С помимо абсорбционного тока под действием электрического поля в изоляции протекает ток сквозной проводимости /ток установившегося режима/, обусловленный перемещением имеющихся в диэлектрике свободных зарядов.

I _скВ = U / R

Этот ток имеет очень малую величину по сравнению с током абсорбции. Задачей профилактических испытаний является обнаружение и оценка степени развития дефектов в изоляции, возникающих в процессе эксплуатации оборудования. Своевременное проведение профилактических испытаний позволяет выявить различные дефекты в начальной стадии их развития и с помощью ремонта оборудования устранить их развитие.

Измерение сопротивления изоляции обмоток

Сопротивление изоляции как между обмотками, так и сопротивление отдельных обмоток относительно земли, является очень важным показателем качества изоляции трансформатора. При приложении к изоляции постоянного напряжения через нее будет протекать ток абсорбции и ток сквозной проводимости.

Сопротивление изоляции R_из называется отношение приложенного к данному участку изоляции постоянного напряжения к протекающему при этом току.

R = U / I

На рис. 12.3 видно, что ток уменьшается со временем и затем принимает установившееся значение. В практике профилактических испытаний принято сопротивление изоляции оценивать по напряжению и току, протекающему по изоляции спустя 1 минуту от момента приложения напряжения. При этом ток не достигает своего установившегося значения.

При наличии дефектов, сопротивление изоляции резко падает, с увеличением t сопротивление уменьшается. Изменение R с помощью мегомметров марок МС-2, МС-05, М-1101, МОМ-5 полученные данные сравнивают с данными таблицы, на основании чего может быть сделан вывод о качестве изоляции (рис. 12.4.).

Рис. 12.4. Схемы измерения сопротивления изоляции обмоток трансформатора:

а) относительно корпуса;

б) между обмотками

.

Наименьшее допустимое значение сопротивление изоляции обмоток трансформатора:

Таблица 12.1

Класс напряжения обмотки (кВ)	Температура обмоток (град.)
	10	20	30	40
до 10 кВ включительно	2150	1000	570	240
35 кВ	3250	1700	810	450

Определение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ)(ветвь С – R)

Тангенс угла диэлектрических потерь служит одним из критериев для определения степени увлажнения изоляции обмоток , а также качества масла.

При приложении к изоляции напряжения по ветвям C-R и R, протекает абсорбционный ток и ток сквозной проводимости, вызывающие разогрев изоляции. Энергия, затрачиваемая на нагрев, получила название диэлектрических потерь.

Полный ток, протекающий через изоляции, сдвинут на угол по отношению к напряжению и раскладывается на активную Iа и реактив­ную составляющие.

U

Рис. 12.5. Векторная диаграмма токов через диэлектрик с потерями

Тангенс угла диэлектрических потерь tg δ представляет собой отношение активной составляющей тока к реактивной составляющей

tg δ = I a / I c

Мощность потерь энергии в изоляции равна : Р = Ic х U tg δ.

Появление в изоляции дефекта вызывает уменьшение его сопротивления и следовательно, увеличение активного тока; реактивный ток при этом почти не изменяется. Это вызывает увеличение tg δ.

Поскольку диэлектрические потери в диэлектрике зависят от геометрических размеров, то принято измерить не сами потери, а тангенс угла диэлектрических потерь, т.к. tg δ - это характеристика материала, не зависящая от размеров объекта и его можно измерять непосредственно прибором. tg δ выражается в процентах.

Для измерения применяются мосты переменного тока типа Р-525, Р50-1, МД-16. Угол диэлектрических потерь обмоток измеряют между каждой обмоткой и корпусом при заземленных свободных обмотках. Измеренные диэлектрические потери составляют сумму диэлектрических потерь твердой изоляции и масла. Допустимые значения tg изоляции обмоток трансформатора в эксплуатации приведены в таблице tg δ = f (t, c).

Таблица 12.2.

Класс напряжения обмотки ВН кВ	Температура обмотки (град.)
	10	20	30	40	50	60
35 кВ и ниже	2,5	3,5	5,5	8,0	11	15

Определение относительной влажности изоляции.

Увлажненность изоляции исследуют путём измерения ёмкости обмоток на двух частотах при неизменной температуре 10-20 С. Этот метод называется методом «ёмкость-частота». Ёмкость объекта при неизменных t, f и приложенного напряжения есть величина постоянная. При увеличении частоты ёмкость уменьшается. Эта зависимость является следствием процессов медленной поляризации. В результате поляризации происходит накопление зарядов в диэлектрике, которое приводит к увеличению его ёмкости. При переменном напряжении процесс накопления зарядов ограничен длительностью одного полупериода напряжения, чем выше частота, тем в меньшей степени успевают развиваться процессы поляризации, тем меньше ёмкость.

На характер зависимости ёмкости от частоты влияют наличие дефектов в изоляции. Появление больших по объёму и хорошо проводящих включений, шунтирование или пробой изоляции увеличивает разность ёмкостей при низких и высоких частотах.

Большую роль играет увлажнённость изоляции. Чем больше увлажнена изоляция, тем быстрее протекают процессы поляризации. Поэтому даже при большой частоте в увлажнённой изоляции процессы поляризации успевают проявиться более значительно, чем при сухой изоляции. Изменение ёмкости при увеличений частоты носит круто падающий характер.

Рис. 12.6. Зависимость ёмкости от частоты для изоляции: 1 – сухая изоляция; 2 – увлажненная изоляция

В сухой изоляции поляризация протекает медленнее, длительность процессов больше полупериода приложенного напряжения. Поэтому у сухой изоляции ёмкость меньше, чем у влажной во всём диапазоне частот изменение её с изменением частоты незначительно (кривая 1 рис. 12.6.).

Указанные эффекты приводят к тому, что отношение ёмкостей увлажнённой изоляции при двух различных частотах существенно больше, чем у сухой изоляции, на чём и основан принцип оценки степени увлажнения изоляции. ГОСТом предусмотрено проведение измерения при двух частотах 50 Гц и 2 Гц .Для сухой изоляции величина ёмкости С2 должна отличатся от С50 не более, чем в 1,2-1,3 раза т.е.

С2 / С50 ≤ 1,2 – 1,3

Для обмоток с увлажнённой изоляцией это отношение возрастает до 2. Измерения ёмкости производят при помощи прибора контроля влажности типа ПКВ-13.

Испытание масла.

Отбор масла из трансформатора и его испытание позволяют оценить состояние самого масла и в незначительной степени состояние остальной изоляции, находящейся в масле. Трансформаторное масло, находясь в соприкосновении с окружающим воздухом, активно поглощает из него влагу и окисляется кислородом и азоном, что уменьшает его электрическую проч­ность. Кроме того, влага из масла легко переходит в гигроскопические материалы изоляции (бумажная и картонная изоляция), снижая её элект­рическую прочность.

Для испытания масла на пробой используют специальные аппараты типа АИИ-70, А-70, АКИ-50.

Аппарат АИИ-70 имеет фарфоровый сосуд ёмкостью 0,5 л. В нем укреплены латунные электроды диаметром 25 мм на расстоянии друг от друга 2,5 мм. Уровень залитого в сосуд масла должен быть не менее, чем на 15 мм выше верхнего края электродов.

Пробой отмечается по образованию в масле между электродами сплошной искры и по спаданию до нуля стрелки вольтметра. Затем напряжение снижают и дают маслу отстояться в течение I минуты.

Такие пробои делают 5 раз и затем берут среднее арифметическое значение пробивного напряжения определяют Е_ПР трансформаторного масла.

Частичные разряды

В любом техническом диэлектрике пробой изоляции в месте дефекта начинается с частичным по отдельным элементам или слоям изоляции. Возникновение частичных разрядов в большинстве типов изоляции совершенно недопустимо, т.к. оно приводит к интенсивному разложению диэлектрика и распространению дефекта. Обнаружение частичных разрядов в изоляции при приложении высокого напряжения является одним из методов профилактических испытаний изоляции, когда через диэлектрик протекает емкостный ток, который замыкает ток частичных разрядов в изоляции.

Частичные разряды (ЧР) в инородных включениях (чаще всего в газовых) вы­соковольтной изоляции энергетического оборудования являются одним из основных факторов, ограничивающих срок ее службы и надежность. По опреде­лению, принятому в ГОСТ 20074-74, частичными разрядом называется элек­трический разряд, шунтирующий часть изоляции между электродами, находя­щимися под разными потенциалами.

Под воздействием ЧР происходят следующие процессы:

1) эрозия материала - разрушение поверхности включения за счет бомбарди­ровки ее электронами и ионами в процессе ионизации; на это затрачивается примерно половина энергии ЧР; энергия электронов может достигать примерно 25-30 эВ;

2) Структурное изменение и разрушение - деструкция, сшивка поли­мерных цепей, разложение, связанные с пунктом 1;

3) нагрев диэлектрика, прилегающего к включению, т. к. температура канала ЧР составляет 710 - 880 К;

4) механическое разрушение за счет образования ударных волн при разрядах, давление в канале разряда достигает 3,7 10⁵ Па(^Н/_м² )

Структурные изменения приводят к ухудшению ряда электрических ха­рактеристик: уменьшается Е_пр, растет tgδ и проводимость γ, изменяется ε.

В связи с этим характеристики ЧР в большинстве случаев (особенно для слоистой изоляции) являются определяющими для выбора допустимых рабо­чих и испытательных напряженностей изоляционных конструкций. Различают два существенно отличающихся вида разряда - начальный и критический. На­чальные ЧР - это разряды слабой интенсивности, не приводящие к заметному разрушению изоляции при длительном (тысячи часов) воздействии. Уровень начальных ЧР составляет 10^-12...10^-11 Кулон. Критические ЧР - это разряды большой интенсивности, вызывающие быстрое (часы, минуты) разрушение. Уровень критических ЧР составляет 10^-10...10^-7 Кулон, в зависимости от вида изоляционного материала и конструкции высоковольтного оборудования.

Частичные разряды возникают при постоянном, переменном и импульсном напряжениях, но наиболее опасны на переменном и импульсном напряжениях, т.к. в этих случаях диэлектрик протекает значительный емкостный ток.