1   2   3
Ім'я файлу: TVN_Labs.doc
Розширення: doc
Розмір: 927кб.
Дата: 13.05.2021
Пов'язані файли:
Реферат Ільченко.docx
Завантажені завдання на період з 2.11 по 6.11.docx

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1
Імпульсні випробування ізоляції ВН
Мета роботи - вивчити принципи роботи генератора імпульсних напруг, системи автоматичного керування роботою генератора, пристрою зрізу імпульсної напруги у наперед заданий момент часу; ознайомитися із синхронізацією роботи ГІН і осцилографів; випробувати ізолятори ПЛЕП імпульсами стандартної форми.
Теоретичні положення
Аналізуючи форми імпульсної напруги, грозової та комутаційної, можна дійти висновку, що вони відтворюються накладаннями двох згасаючих експоненціальних функцій різних полярностей. Це означає, що схема для одержання цих імпульсів повинна мати принаймні два нагромаджувача енергії, щоб забезпечити двоекспоненціальну форму кривої.

Об’єкт для випробування звичайно являє собою ємнісне навантаження, тому ГІН - це схема з ємнісним нагромаджувачем енергії.

Для одержання дуже високих напруг використовують, як правило, багатоступінчасті схеми. Роботу таких генераторів краще пояснити за допомогою принципової схеми, зображеної на рис.1.1.


Накопичувальний конденсатор СSповільно заряджається від джерела до U0, а потім через комутатор SF розряджається на ємність навантаження Св. Опори Rd i Reнеобхідні для одержання потрібної форми імпульсу. При U0> 10кВ за комутатор SF може правити звичайний кульовий розрядник. Рівень потрібної напруги регулюється відстанню S між кулями.

Час комутації такого найпростішого іскрового проміжку не перевищує 0,1мкс, тому процес комутації майже не впливає на зміну напруги U(t). Сам елемент SF можна розглядати як ідеальний комутатор при одержанні грозових імпульсів (мале падіння напруги у провідному стані).

Навантаження Свскладається насамперед із ємності об’єкта, що випробовується СP, ввімкненої паралельно йому вимірювальної апаратури Cмі всіх з'єднуючих проводів на стороні високої напруги. При компактному виконанні випробувальної схеми величиною СLможна знехтувати.

Через те, що параметри цих ємностей можуть змінюватись у більш або менш широких межах запроваджується ще один елемент схеми - додатковий конденсатор Cвдвисокої напруги ємністю від 0,5 до 2 нФ. Тому не має потреби змінювати резистори Rdі Re при зміні ємності навантаження (См , Сp , СL) і одержанні нормованої форми імпульсу. Таким чином, ємність навантаження

(1.1)

має заряджатися через демпфуючий опір Rd .

Мала тривалість фронту T1 імпульсу u(t) забезпечується завдяки опору Rd. Тривалість імпульсу T2забезпечується при повільному розряді ємностей крізь опір Re. Імпульс можна відобразити за допомогою сталих часу T1 ,T2i коефіцієнта використання за напругою.

Розрахунок напруги u(t) (див. рис.1.1.) Схема описується диференціальним рівнянням

(1.2)

Розв’язок цього однорідного диференціального рівняння можна дістати в експоненціальному вигляді. 3 урахуванням початкових умов (на момент вмикання t=0 СS заряджена до напруги U0, а Св розряджена) розв’язок, що шукається, має вигляд:

, (1.3)

де (1.4)

У цьому випадку і - величини, обернені сталим часу:

(1.5)

(1.6)
Згідно з (1.2) імпульс напруги є сумою двох експонент з великою 1/α1 ,і малою 1/α2 сталими часу. Коефіцієнт використання за напругою

, (1.7)

де Um - максимальна напруга на виході генератора; U0 - зарядна напруга генератора.

Інший спосіб розрахунку η: знайти момент часу tmмаксимуму напруги виходячи з умови du /dt = 0, або

, (1.8)

звідки

. (1.9)

Якщо підставити (1.9) у (1.2), то згідно з (1.7) отримаємо коефіцієнт використання схеми (рис.1.1) за напругою:

. (1.10)

Для заданої форми імпульсу і мають досить конкретні значення, тому η залежить від коефіцієнта.

Звичайно Св < CS, а α2 >> α1, (тривалий імпульс з коротким фронтом), тому другий член виразу під коренем багато менший від одиниці. Тоді, використавши приблизну рівність , отримаємо

. (1.12)

Якщо (1.12) підставити в (1.10), отримаємо



. (1.13)

Для практичних оцінок при α2 >> α1 вираз (І.ІЗ) можна ще більше спростити:

(1.14)

Принцип роботи багатоступеневого ГІН стане зрозумілішим, якщо припустити, що всі іскрові розрядники пробилися одночасно після досягнення пробивної напруги розрядника першого ступеня. При цьому спочатку ємності Сś(рис.1.2) повільно заряджаються крізь зарядні (RLo, L)і розрядні (Ré, Rά) опори від джерела постійної напруги U0. Принезмінній напрузі U0 зарядні напруги конденсаторів Сs усіх ступенів U0́ приблизно однакові, якщо виконується умова RLo>RĹ>>Re>Rα. Відстань між електродами розрядників має бути такою, щоб пробій виник при напрузі U0́. Якщо всі проміжки пробиваються одночасно, то всі заряджені конденсатори Сś стають з’єднаними послідовно і до навантаження Cв прикладається відповідно підвищена напруга. Нормативна форма імпульсу на навантаженні забезпечується за допомогою опорів Ré і Rά.




Рис.1.2. Схема ГІН із множенням напруги
У ГІН із nступенями і однаковими значеннями Cś, Ré, Rά одержують такі параметри еквівалентної одноступеневої схеми:



На виході ГІН формується хвиля напруги, полярність якої збігається за знаком із полярністю зарядного пристрою, зібраного на базі напівперіодного випрямлювача. Основна вимога до ГІН полягає у тому, щоб на об’єкті, який випробується, забезпечується стандартний за формою та амплітудою імпульс при великому значенні коефіцієнта використання генератора.

Аналіз схеми ГІН дає можливість дійти висновку, що тривалість фронту

імпульсу

, (1.15)

а тривалість самого імпульсу

.

Розрахунки параметрів імпульсів не дають підстави відмовлятись від експериментального визначення кривої напруги, яка може відрізнятись від теоретичної. Наприклад, при грозових імпульсах, одержаних за допомогою великих ГІН, не можна нехтувати впливом індуктивності L розрядного контуру. Вплив індуктивності може зробити напругу на виході ГІН коливною, з”являються також коливання на вершині імпульсу. Тоді не гарантується аперіодичний задемпфований режим контуру Cs - Rα - Cв. Аперіодичний режим спостерігатиметься, якщо виконується нерівність

(1.16)

Крім того, причиною викривлення форми імпульсу може бути нелінійність опорів і навантаження (за рахунок часткових розрядів), а в багатоступеневому ГІН - розкид моментів спрацювання розрядників.

Коефіцієнт використання ГІН залежить від параметрів і схемних рішень зарядного та розрядного контурів, форми хвилі напруги і може бути представлений у вигляді добутку коефіцієнтів використання зарядного контуру, форми імпульсної хвилі та схеми:

. (1.17)

Коефіцієнт використання зарядного контуру

, (1.18)

де Uk - напруга ГІН в ударі при відсутності навантаження; у розрахунках приймають ŋз = 0,9...0,95 внаслідок неповного заряду конденсаторів ступенів, що віддалені від зарядного пристрою.

Коефіцієнт використання форми імпульсної хвилі для стандартного імпульсу напруги І,2/50 мкс ŋв=0,97, а взагалі залежить від відношення сталих часу α=T2/T1 експонент, що відтворюють імпульс напруги ГІН:

(1.19)

Коефіцієнт ŋв знижується по мірі збільшення відношення Tф/Tн , тому що за час формування фронту імпульсу конденсатори ГІН встигають трохи розрядитися на розрядний опір Rе.

Коефіцієнт використання схеми

(1.20)
Експериментальна установка і методика виконання роботи
ГІН зібрано на чотирьох ступенях з конденсаторів С = 0,135мкФ; Uн = 125кВ. Керування генератором та синхронізація його сумісної роботи з осцилографом здійснюються за допомогою генератора синхроімпульсів ГСІ та генератора підпалення ПІ.

На рис. І.3 зображено схему з'єднання ГІН з трьохфазною мережею високовольтного залу ТФВН університету.

Керований на відстані регулятор напруги вмикається в мережу за допомогою рубильника S1, захисного автомата SF2 і контактора K1. Останній увімкнеться тільки в тому випадку, коли електричне блокування дверей огорожі випробувального поля буде замкненим. Крім того, в електричне коло електромагніту контактора увімкнено контакти теплового реле S8.

Між регулятором напруги і первинною обмоткою випробувального високовольтного трансформатора T3 увімкнені контакти контактора K2 та котушка індуктивності L. Після замикання контактів K2 контакти заземлювача S3 розімкнуться, що забезпечить можливість зарядження конденсаторів ГІН. Якщо зникає напруга, або натискується червона кнопка негайного вимкнення ГІН, K2 розмикаються, а пружинний привід підіймає стержньовий електрод заземлювача S3. При цьому ГІН розряджається і заземляється.

Блок випрямляча зібрано за схемою подвоєння напруги. Він складається із трансформатора Т3, напівпровідникових вентилів VD1, VD2 та конденсаторів

C1, C2.

Обмотки трансформатора розміщено на двостержневому магнітопроводі: на нижньому - обмотки НН і вирівнювальна ВО, на верхньому - ВО і ВН. Номінальна напруга обмоток UНН = UВО = 380 В; UВН= 60 кВ.

Із конденсатора С2 на магнітопровід і вирівнювальні обмотки подається постійна напруга 60 кВ. На таку саму напругу ізолюється обмотка НН.

Вирівнювальні обмотки, що призначені для зниження розсіювання, виконані на напругу 380 В і не потребують ізоляції від магнітопровода. Ізоляція між обмотками НН - ВН забезпечується маслом і бар'єрами.

Зарядна напруга ГІН контролюється за допомогою вольтметра kV, який увімкнено на низьковольтне плече омічного подільника напруги, зібраного на резисторах R1, R2. Вольтметр розміщено на пульті управління і градуйовано в кіловольтах.

ГІН зібрано за прямою схемою з розподілом по конструкції розрядних опорів. Полярність імпульсу змінюється при перемиканні діодів VD1 і VD2.

Високовольтне плече подільника напруги зібране на конденсаторах С3, С4 і резисторах R3, R4. Сумарна ємність подільника напруги 0,0015 мкФ, сумарний опір - 9 кОм. Коефіцієнт поділу становить 300. Напруга низьковольтного плеча подільника за допомогою екранованого кабелю подається на вертикально відхиляючі пластини осцилографа.

Зміна відстані між іскровими проміжками FS1 ÷ FS4 ГІН і між кулями розрядника зрізу здійснюється дистанційно з пульта управління.



Завдання
1. Змінюючи амплітуду імпульсу на виході ГІН, забезпечити перекриття ізолятора ШФ-20 В, ШСС-І0; кількох ізоляторів ПФ. Іскровим вольтметром виміряти напругу перекриття цих ізоляторів.

2. Виконати вимоги п.1 для другої полярності зарядної напруги ГІН.

3. Визначити коефіцієнт відношення напруг перекриття ізоляторів при-від’ємній і позитивній полярностях імпульсів.

4. Зняти осцилограму імпульсу напруги й обробити її.
Контрольні запитання
І. Які види перенапруг можна отримати за допомогою ГІН?

2. Як регулюється амплітуда імпульсу напруги?

3. Як змінюється полярність імпульсу на виході ГІН?

4. Пояснити ефект полярності при перекритті ізоляторів імпульсною напругою.

5. Пояснити дію загострювача імпульсів напруги.

  1. У чому виявляється порушення координації ізоляції?



ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5
Визначення рівнів ізоляції повітряних проміжків при змінній і постійній напругах
Мета роботи - експериментально дослідити рівні ізоляції повітряних проміжків при зміні відстані між електродами з однорідним, слабо- і сильнонеоднорідним полями, а також бар’єр у міжелектродному проміжку.
Теоретичні положення
Повітряні проміжки є ізоляцією між проводами, проводами і тросами, проводами і опорами ПЛЕП, зовнішньою ізоляцією трансформаторів і електричних апаратів. Одним із питань проектування високовольтного електроустаткування є вибір мінімальних ізоляційних проміжків у повітрі. Це вирішується на базі загальних закономірностей формування електричних розрядів у повітрі, а також урахування впливу різних факторів на електричну міцність повітря.

Явище електричного пробою в газах пояснюється на основі фізичних уявлень про виникнення і розвиток електронних лавин у процесі іонізації атомів або молекул газу електронами, що прискорюються під впливом сил електричного поля.

Інтенсивність процесу іонізації характеризується коефіцієнтом ударної іонізації α, що визначається кількістю іонізацій, які робить один електрон на відстані 1см уздовж силових ліній електричного поля.

У повітрі, як і в інших електронегативних газах, основним процесом, що протидіє ударній іонізації, є прилипання електронів до нейтральних частинок з утворенням негативних іонів. Цей процес характеризує коефіцієнт прилипання η, який залежить від співвідношення E/p, виду газу і визначається за експериментальними даними.

Розвивання ударної іонізації в електронегативних газах описується за допомогою ефективного коефіцієнта ударної іонізації, що є різницею позитивних і негативних процесів:

(5.1)

Для старту електричного розряду в газі потрібен хоча б один ефективний електрон, який, прискорюючись у сильному електричному полі, набуває енергії, достатньої для іонізації. Вона породжує електронно-іонні лавини. Кількість електронів у лавині

, (5.2)

де n0 - кількість стартових електронів; x - відстань, яку пройшла лавина вздовж силових ліній електричного поля.

Крім електронів та іонів у лавинах виникають фотони. Фотони з лавиною іонів діють на поверхню катода, у результаті чого біля катода можуть народжуватися вторинні електрони, у тому числі й ефективні. Якщо внаслідок взаємодії фотонів і лавини іонів біля катода з'явиться хоча б один ефективний електрон, то процес розряду стане самостійним. Напруга, за якої виконується умова самостійності розряду, називається початковою напругою U0.

У неоднорідному електричному полі умова самостійності розряду виконується поблизу електрода з малим радіусом кривини, де виникає характерний для цих умов коронний розряд.

Початкові й пробивні напруги для найпростіших геометричних форм електродів можна визначити з емпіричних виразів.

Для паралельних площинних електродів

(5.3)

де δ - відносна густина повітря; d - відстань між електродами, см; U0 - максимальна напруга, кВ.

Для кулі проти кулі

(5.4)

де r - радіус кулі; f - геометричний фактор.

Якщо напруга подається симетрично, то

. (5.5)

Якщо одна куля заземлена, то f визначається за даними табл.5.І.

Таблиця 5.1

d/r


0,1


0,2


0,3


0,4


0,5


0,6


0,7


0,8


0,9


1,0


1,5


2,0


f

1,03


1,07


1,10


1,15


1,20


1,25


1,31


1,38


1,45


1,52


1,91


2,34


При d/r << 2 формула (5.4) дає пробивну напругу проміжку, при d/r > 2 - напругу початку корони.

Для коаксіальних циліндрів

, (5.6)

де r0, R - радіуси відповідно внутрішнього та зовнішнього циліндрів.

Якщо ln R/r0 < 1, то формула (5.6) дає пробивну напругу проміжку, якщо lnR/r0 > 1 -початкову напругу, якщо ln R/r0 = 1 - найбільше значення пробивної напруги.

Більшість високовольтних конструкцій має гострі краї, задирки, різкі переходи від одного розміру в другий. Розрядні напруги у таких місцях наближаються до розрядної напруги несиметричних електродів голка - площина, де електричне поле має коефіцієнт неоднорідності, який обчислюють за формулою

(5.7)

більше чотирьох. Розрядна напруга у таких проміжках дуже залежить від полярності напруги на голці.

Розглянемо, що впливає на розрядні напруги проміжку голка - площина при різних полярностях голки. При поступовому підвищенні напруги, що прикладається на проміжку голка - площина, ударна іонізація починається насамперед поблизу голки, де напруженість поля максимальна. При цьому виникає спочатку “темний” несамостійний розряд що не супроводжується помітним світінням, і тільки при подальшому підйомі напруги формується корона, яку можна бачити.

Припустимо, що до проміжку голка - площина прикладено напругу, коли голка має позитивну полярність (рис.5.1). Розподіл напруженості електричного поля на цьому рисунку .

Рис.5.1. Розподіл напруженості електричного поля між "позитивною" голкою і "негативною" площиною
При деякому значенні напруги від зовнішнього джерела напруженість поблизу голки стає достатньою для розвитку ефективної ударної іонізації.

Внаслідок ударної іонізації біля кінчика голки виникає велика кількість вільних електронів і позитивних іонів. Більш рухливі електрони швидко зміщуються до голки і нейтралізуються на її поверхні. Менш рухливі позитивні мають велику масу порівняно з електронами, не встигають швидко вийти з області іонізації (до “негативної” площини вони переміщуються надто повільно) і поблизу “позитивної” голки виникає об’ємний позитивний заряд (див. рис.5.1).

Напруженість поля Ex, що створена зарядами на електродах (зовнішнім джерелом), спрямована від анода до катода.

Позитивний об’ємний заряд створює поле . Поблизу голки вектор напрямлений назустріч , а поблизу площини напруженість збігається з . Результуюча напруженість



У результаті аналізу кривої Ep(x)дійдемо висновку, що об'ємний позитивний заряд зменшує напруженість електричного поля поблизу голки і підвищує її в інших частинах проміжку. Такий розподіл напруженості поля гальмує виникнення видимої корони на кінці голки (вона з'являється саме перед пробоєм), а розвиток процесу іонізації у бік площини відбувається досить легко, тому що напруженість поля тут підвищена. Тому пробій проміжку відбувається за досить малої напруги.

Негативна полярність голки дає суттєво іншу картину (рис.5.2): до виникнення іонізації розподіл напруженості поля такий самий, як і у випадку “позитивної” голки, тому електронні лавини виникають у такому самому об’ємі проміжку поблизу голки. Лавини рухливих електронів розповсюджуються від області іонізації до анода, тобто до позитивної площини.



Рис.5.2. Розподіл напруженості електричного поля між "негативною" голкою та "позитивною" площиною
Електрони, що рухаються до площини, швидко залишають канали лавин, а звідси й позитивний об’ємний заряд, який складається з малорухливих позитивних іонів. Електрони, що рухаються до площини, переміщуються в поле меншої напруженості, втрачаючи свою швидкість і потрапляючи в більшості своїй “у полон” до молекул кисню з наступним утворенням малорухливих негативних іонів.

Об’ємний заряд у випадку “негативної” голки має структуру, що зображена на рис.5.2.

Криві та показують розподіл у проміжку напруженостей поля, які утворюються зарядами на електродах та об’ємними зарядами: - позитивним, - негативним.

Розглянувши результуючу напруженість можна побачити, що вона підвищується біля кінця голки, а це поліпшує формування видимої корони, проте розвиток процесу іонізації в бік площини гальмується, оскільки напруженість поля у більшій частині проміжку понижена. Напруга пробою має більше значення, ніж при “позитивній” голці.

Якщо до проміжку прикласти змінну напругу низької частоти, полярність голки періодично змінюватиметься, тому розряд у даному проміжку при плавному підвищенні напруги виникне саме тоді, коли голка “позитивна”, тобто рівень ізоляції газового проміжку за змінної напруги невеликий.

Розрядну напругу проміжку голка - площина можна збільшити застосуванням бар’єрів - тонкої пластини з діелектричного матеріалу (наприклад, паперу), яка розмішується в проміжку між електродами нормально до силових ліній електричного поля.

Експерименти показують, що наявність бар’єра в деяких випадках може значно підвищити розрядну напругу проміжку. Однак це відбувається не тому, що бар’єр має високий рівень ізоляції, яка додається до рівня ізоляції проміжку, а тому, що наявність у проміжку об’ємних зарядів суттєво спотворює електричне поле.

У випадку “позитивної” голки і “негативної” площини електрони, що виникли біля голки внаслідок ударної іонізації, швидко рухаються до голки і нейтралізуються на її поверхні.

Позитивні іони, що створюють позитивний об’ємний заряд, повільно перемішуються в бік негативної площини і рівномірно розтікаються по бар’єру.

На місці тих, що вибули з об’ємного позитивного заряду іонів, з'являються нові, тому що процес іонізації триває весь час.

Між позитивно зарядженим бар'єром і “негативною” площиною виникає поле, близьке до однорідного (площина навпроти площини), що призводить до підвищення розрядної напруги проміжку бар’єр - площина. Цьому також сприяє послаблення поля між голкою і бар'єром, тому що бар’єр, голка і об’ємний заряд позитивні.

Максимального підвищення розрядної напруги можна досягти тоді, коли відстань між бар’єром і голкою становитиме 10...20% загальної.

У разі змінної напруги рівень ізоляції такого проміжку визначається для “позитивної” голки, тому використання бар’єра на змінній напрузі підвищує рівень ізоляції проміжку. У півперіод, коли голка негативна, бар'єр не вплине на рівень ізоляції, який у цей півперіод і так досить високий.

Завдяки цьому бар’єри широко використовуються в ізоляційних конструкціях із різконеоднорідним полем.
Експериментальна установка і методика виконання роботи
Принципову схему експериментальної установки зображено на рис.5.3. Джерелом високої напруги промислової частоти є випробувальний трансформатор Т1 типу ВОМ-100/25. Обмотка V спеціально зроблена для вимірювання високої вихідної напруги трансформатора кіловольтметром, шкала якого проградуйована в кіловольтах. Крім цього, ВН можна вимірювати за допомогою електростатичного кіловольтметра С-96, який підмикається до обмотки ВН, або за показами вольтметра pV1 встановлювати коефіцієнт трансформації трансформатора ВОМ-100/25. Ці вимірювання дають діючі значення напруги, тоді як іскровий вольтметр - амплітудні.

Плавне регулювання напруги трансформатора здійснюється за допомогою регулятора напруги T2. Змінити форму напруги, що подається на випробуваний проміжок (ВП), можна за допомогою з’ємного вентиля VD та перемички П. Установка вмикається рубильником видимого розриву S1, автоматом SF2 і контактором КМ. У коло живлення електромагніту контактора підключені блок - контакти дверей, що ведуть на випробувальне поле. З умов безпеки доступ до електродів, які розміщені на випробувальному полі, можливий, якщо установку повністю вимкнено, а також накладено переносне заземлення на вивід ВН трансформатора Т1 .

Електроди різної форми закріплюються на ізолюючій конструкції. Резистори R1, R2 обмежують струм розряду, що є захистом трансформатора та випрямляча від перевантаження. Коли виникає пробій, автоматичний вимикач SF2 вимикає установку. Пробивна напруга фіксується вольтметром pV2.
Рис.5.3. Схема дослідної установки
Не змінюючи відстані між електродами, спробу повторюють п’ять разів для визначення середньої пробивної напруги. Потім дистанційно змінюють відстань між електродами і дослід повторюють. Одержані результати заносять до табл.5.2.
Завдання
1. Ознайомитись зі схемою установки, розміщенням її елементів, порядком виконання роботи, правилами безпеки.

2. Дослідити електричну міцність повітряних проміжків при змінній напрузі промислової частоти для проміжків:

а) площина - площина; б) куля - куля; в) стержень - стержень; г) стержень - площина; д) коаксіальні циліндри.

3. Дослідити електричну міцність повітряних проміжків куля - куля і площина - площина при випрямленій напрузі. Зняти залежність Uпр=f(d) стержень - площина при позитивній (d = 1... 15 см) і негативній (d = 1...8 см) полярності стержня.

4. При позитивній полярності стержня встановити відстань 6 см між стержнем і площиною і ввести в проміжок діелектричний бар’єр. Зняти залежність Uпр=f(h) (h - відстань від стержня до бар’єра) при А = 1; 2; 3; 4; 5; б см. Одержані результати занести до табл.5.2.


  1   2   3

скачати

© Усі права захищені
написати до нас