Перенапряжения и их классификация

Виды изоляции

 

Изоляция может быть разделена на 2 класса:

1. Внешняя изоляция – воздушные промежутки между проводами ЛЭП, внешняя поверхность твердой изоляции контактируемой с воздушной средой, воздушные промежутки между контактами открытых коммутирующих аппаратов, воздушные промежутки между проводами и изоляторами, на которые крепятся провода;

2. Внутренняя изоляция – изоляция обмоток трансформаторов, пазовая часть изоляции обмоток вращающихся машин, изоляция кабелей, герметизирующая изоляция вводов, изоляция между контактами выключателей в разомкнутом состоянии.

Внутр-яя изоляция представляет собой комбин-ю: твердый диэлектрик + жидкий диэлектрик,тв. диэл. + газ.

Особенности внешней изоляции:

Основные параметры зависят от внешних условий: давление, температура, влажность, загрязненность воздуха, и поверхностей твердой изоляции и осадков.

Воздушная внешняя изоляция после пробоя и снятия напряжения на некоторое время, полностью самовосстанавливается, следовательно пробой воздушной изоляции связан с кратковременным перерывом электроснабжения.

       Особенности внутренней изоляции:

Электрическая прочность не зависит от атмосферных условий, главная особенность – это ее старение. Под старением понимают ухудшение изоляции в процессе эксплуатации.

Все время в процессе экспл. в твердой изоляции происходят мелкие микроразряды. В бумажно-маслянной изоляции образ-ся газовые пузырьки. На острых кромках и частях эл.уст-ки возникает высокая напряженность электрической поля и возникает коронный разряд. Под такими возд-ми изоляция разрушается, внутри ее образуются участки с повышенной проводимостью, что усиливает старение изоляции. Влияющим фактором являются диэлектрические потери, они нагревают изоляцию, при большой толщине теплоотвод затруднен и, следовательно, тепловой пробой. Тепловой и комбинированной пробой изоляции является процессом не обратимым и всегда приводит к аварии. Даже пробой жидких и газообразной изоляции не является аварийной ситуацией, а является фактором снижающий срок службы изоляции.

 

Режим нейтрали

В течение всего срока службы изоляция подвергается воздействию различного рода напряжения:

-Во-первых, это длительное воздействие рабочего напряжения, которое почти равно номинальному или могут не значительно, на 10-15%, превышать.

-Во-вторых, это перенапряжения, величина которых определяется большим числом параметров и факторов. Наиболее частой причиной повышения рабочего напряжения, и появления перенапряжения являются возникновение и ликвидация различного рода замыканий на землю. Последствия таких замыканий главным образом зависят от способа заземления нейтрали.

Изолированная нейтраль: при однофазном коротком замыкании через точку замыкания течет сумма емкостных токов не поврежденных фаз. В коротких сетях емкостный ток мал, поэтому если дуга возникает, то гаснет достаточно быстро. В протяженных цепях производят компенсацию больших емкостных токов (>10А). Для гашения дуги с емкостным током нейтраль ЭУ соединяют с ЗУ через                                                                                   реактор.

          В сетях с глухозаземленной нейтралью любое замыкание является коротким                                                                                                                                                                                               и приводит к появлению больших токов, в следствии чего включается релейная защита, далее отключается повреждение, дуга гаснет тем самым снижаю действие дуги на электроустановку.

Выбор нейтрали зависит от многих факторов. В сетях до 35 кВ включительно нейтраль изолированная, компенсированная; 110кВ либо глухозаземленная, либо эффективно-заземленная. В сетях 220 кВ и выше только глухозаземленная.

В большинстве случаев сети 110 кВ имеют эффективно-заземленную нейтраль. Нейтраль называется эффективно-заземленной, если при двух и одно фазном коротком замыкании на землю в любой точке сети вынужденная составляющая напряжения на здоровой фазе относительно земли не превосходит 0,8 наибольшего рабочего линейного напряжения сети или 1,4 наибольшего рабочего фазного напряжения сети, причем это повышение рабочего напряжения должно длиться только на период существования аварии до отключения к.з.

                  

Ударная ионизация

При сообщении атому или молекуле дополнительной энергии,  может перейти на более удаленные орбиты. Тогда атом переходит в возбужденное состояние. В зависимости от газа время нахождения в возбужденном состоянии 10^-8-10^-10с. После этого атом возвращается в нормальное состояние. Это сопровождается излучением фотона, энергия которого равна энергии сообщенной атому. Атому или молекуле может быть сообщена энергия такая, что  может потерять взаимосвязь с атомом.  становится свободным. Явление при котором образуется ион“+” и свободный электрон“-” называется ионизацией.

Энергия затраченная на ионизацию называется энергией ионизации W_и. Она является индивидуальной для каждого газа. “+” ион может быть подвергнут дальнейшей ионизации. При этом необходимо затратить большую энергию.

W_и может быть получена в результате столкновения с какой-либо частицей. Электрон отдает свою кинетическую энергию запасенную при движении в эл. поле.

                                 

х- путь электрона

Ионизация имеющая место при соударении нейтральной молекулы и свободного  называется ударной. Важнейшее место в теории ударной ионизации и теории газового разряда имеет коэф-т ударной ионизации - число актов ионизации осуществляемых свободным электроном осуществляемых на единице пути вдоль силовой линии эл. поля.

 

       1)чем больше E/Р тем большая часть  способна ионизировать молекулы газа при столкновении.

       2)Вероятность ионизации увеличивается при увеличении энергии . 

       3)При увеличении давления вероятность ионизации молекул свободных  уменьшается т.к уменьшается длина свободного пробега электронов.

       4)При t=const средняя энергия свободных электронов зависит от E/P, или от отношения E/δ,

где δ – относительная плотность газа  

Лавина электронов

Переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному может быть вызван двумя способами:

1) воздействием внешнего ионизатора.

2) повышением U на промежутке.

Пусть в газовом промежутке около катода появился 1 свободный электрон. При высокой напряженности поля он может произвести ионизацию молекул газа столкновением, продолжив при этом своё движение к аноду. Появляется второй электрон и вместе с первым ионизируют другие молекулы. Т.о. число электронов в промежутке, движущихся к аноду, возрастает в геометрической прогрессии.

Процесс нарастания числа  движущихся в электрическом поле к аноду называется лавиной электронов.

 

Положительные ионы движутся к катоду и бомбардируют его. Вероятность освобождения свободных электронов с поверхности катода мала. Этот процесс начинает играть только при стационарных разрядах. Возбужденные лавиной молекулы при возвращении в нормальное состояние излучают фотоны, которые могут ионизировать молекулы и освободить электроны с поверхности катода. Возникшие вторичные электроны могут инициировать новые лавины. Если в среднем число электронов вторичных и начальной лавины равно, то разряд будет самостоятельным. При несамостоятельном разряде лавины в среднем не воспроизводятся. Т.о. условием возникновения самостоятельного разряда является воспроизводство в среднем электронных лавин в разрядном промежутке.

 

Ионная проводимость

Всякая жидкость в той или иной степени диссоциирована и содержит определенное кол-во ионов в единице объема при заданных условиях. При отсутствии внешнего поля ионы и молекулы движутся хаотично. Они колеблются около некоторых центров равновесия согласно уравнению Планка hn=kT. При наличии эл. поля заряженные частицы начинают перемещаться вдоль силовых линий. При этом удельная объемная проводимость ; где А, В – константы независящие от температуры и являются характеристиками данной жидкости. Поскольку удельная объемная проводимость γ зависит от числа ионов, которые в свою очередь зависят от степени диссоциации, то ионная проводимость полярных жидких диэлектриков на несколько порядков выше, чем неполярных. Ионная проводимость также зависит и от напряженности эл. поля, которая влияет на подвижность ионов в сильных электрических полях (Е>100 кB/cм).

Электронная проводимость

В сильных эл.полях (E≥ 100 кВ/cм) в жидких диэлектриках происходит нарастание тока отличное от закона Ома: I = I₀ exp(С*E) ,

Где С-это константа для данного диэлектрика.

Объясняется это тем, что эл. поле начинает влиять как на диссоциацию молекул так и на подвижность заряженных частиц. В жидких диэлектриках, как и в газе, в таком случае возникает ударная ионизациия электронами. Они возникают у катода в следствии автоэлектронной эмиссии. Это подтверждается: дискретностью импульсов тока, а также свечением жидкого диэлектрика у электродов и в объеме.

Тепловой пробой.

При воздействии на любой диэлектрик электрического поля, в нем выделяется тепловая энергия вследствие диэлектрических потерь.

 

                             (1)

 

Рост потерь в твёрдом диэлектрике увеличивают его температуру, увеличение температуры к дальнейшему разогреву материала. Однако, увеличивается и теплоотдача. Если при этом темп нарастания тепловыделения превысит темп нарастания отвода тепла, то может наступить необратимый процесс, который заканчивается термическим разрушением материала или его пробоем – такой пробой называется тепловым.

 

                                                             (2)

 

Где а – толщина твёрдого диэлектрика.

Электрическая прочность снижается при увеличении толщины изоляции, электрическая прочность уменьшается снижением коэффициента теплопроводности, увеличением , частоты.

 

                     (3)

 

При возрастании температуры окружающей среды пробивное напряжение снижается и типичная зависимость имеет вид.

       Температура при которой снижается пробивное напряжение называется критической. является индивидуальной характеристикой стойкости материалов по отношению к тепловому пробою. Для предотвращения теплового пробоя стараются обеспечить как можно меньшую температуру охлаждающей жидкости. Хороший теплоотвод для реализации последней методики используют системы принудительного охлаждения. Кроме того в толще диэлектрика делают каналы для циркуляции теплоносителей. Также стараются уменьшить толщину изоляции.

Скругление краев электродов

Если не применяют скругление, то края электродов имеют толстые кромки. Коэффициент неоднородности от 5 до 10. Из расчётов и экспериментов увеличение (скругление) случайно меняющих радиусов кривизны кромок должен сильно снижаться коэффициент неоднородности электрического поля, К_Н. Если 2>0,5l (l – расстояние между электродами) поле становится слабонеоднородным, если R/l>1, то Кн<1,3.

 

Опорные изоляторы.

Предназначены для работы как на открытом воздухе так и в закрытых помещениях. Служат для крепления токоведущих частей и изоляции их от земли.

Классификация: 1) стержневые 2) штыревые 3) с внутренней полостью 4) с внутренней полостью и перегородкой.

Основные параметры: 1) номинальное напряжение 2) импульсное выдерживаемое напряжение 3) Uвыд.50 ( 50-ти герцовое) 4) минимальная длина пути тока утечки 5) минималь-е разрушающее усилие на изгиб (1дан=10Н) 6) высота, диаметр, размер арматуры, верх, низ.

Опорно-штыревые изоляторы.

Представляют собой 1 или несколько фарфоровых элементов, одетых на металлический штырь, имеющий металлические арматуры. Нижний элемент – металлический штырь. Основное достоинство: высокая механическая прочность. Недостаток: То что они пробиваются. В России выпус-я на напряжение от 6 до35кВ.

ОНШ – опорный, наружной установки, штыревой.

ОНШ-35-1250 – На 35кВ, 1250(дан) или 12,5кН- миним-о разреш-е усилие на изгиб.

С внутренней полостью, представляет собой фарфоровый цилиндр или конус.

Достоинство: получение высоких механических прочностей за счет больших диаметров без увеличения массы.

В России выпускаются высотой 2,5м. и на 220кВ на более высокие напряжения изоляторы выполняются составными. Склеиваются глазурью до обжига. Недостаток: возможность перекрытия их внутренней полости.

ОНВП-35-4000 – Опорный, наружной установки с внутренней полостью, на 35кВи с минимально разрешенным усилием на изгиб-4000(дан) или 40кН.

 

Линейные изоляторы.

 

Для изоляции и крепления проводов и грозозащитных тросов воздушных ЛЭП и ОРУ.

Классификация: 1) Штыревые юбочного типа 2) Штыревые подвесные 3) штыревые стержневые 4) стержневые подвесные 5) подвесные тарелочного типа.

Штыревые, получили название от метода. Редко применяются и почти сняты с производства.

ШФ- штыревой фарфоровый. ШС- штыревой стеклянный. ШФ-10Г-10кВ, Г- для района с повышенным загрязнением атмосферы.

Подвесные тарелочные. Основной вид для линий постоянного и перем-го тока. Выполняются как ПФ- подвесной форфоровый, так и ПС- подвесной стеклянный. Эти типы изол-ии могут выпускаться с двумя типами сопряжений: сферическое сопряжение и сопряжение типа серьга-проушина. Головка м.б. сферической или конической.

ПФ, ПФГ, ПС, ПСГ; ПФГ-8А- подвесной фарфоровый для районов с повышенной загрязненностью атмосферы, 80кН на разрыв, исполнение А.

ПСГ-160А- подвесной стеклянный для районов с повышенной загрязненностью атмосферы, 160кН на разрыв, исполнение А.

Международное обозначение изоляторов U 70-ВилиС; U- подвесной изолятор, 70кН на разрыв, В- сферическое сопряжение, С- сопряжение типа серьга-проушина.

 

Комбинирование диэлектриков

К материалам используемым для внутренней изоляции предъявляют жёсткие требования в отношении их электрических, механических и других характеристик.

1 Электрические характеристики

Материалы должны обеспечивать высокую, кратковременную и длительную электрическую прочности. Они должны обладать определённым комплексом свойств, таких как иметь высокие пробивные напряжённости в области чисто электронного пробоя и малые диэлектрические потери (устойчивость к тепловому пробою), иметь высокую стойкость к частичным разрядам

1. тепловые свойства

теплопроводность, стойкость к тепловому старению. Эти характеристики исключительно важны, так как ограничивают допустимые температуры рабочих частей оборудования и влияют на перепады температуры в изоляции. Эти свойства определяют допустимые рабочие режимы оборудования в целом, кроме того от них зависят степень пожаро - взрывобезопасности ЭУ, и следовательно объём, содержание и стоимость защитных мероприятий.

1. Механические

Высокие требования к механической прочности изоляционных материалов обусловлены не только значит нагрузками на изоляцию , но и нагрузками, возникающими в процессе изготовления самой изоляции и ЭУ в целом. Особенность в том, что необходимо обеспечить не просто механическую целостность изоляции, но и исключить появления в изоляции дефектов, снижающих электрическую прочностью

1. Технологические

Материалы должны быть пригодны для высокопроизводительных процессов изготовления изоляции и ЭУ в целом.

1. Экологические

Изоляционные материалы не должны содержать и образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты. После отработки срока службы легко поддаваться переработке или уничтожению без загрязнения окружающей среды.

1. Экономические

недефицитные, низкая стоимость

1. Специальные

В ряде случаев к указанным 6 группам могут быть добавлены другие, обусловленные спецификой работы ЭУ. Дугостойкость, стойкость к термоударам и т.д.

Все перечисленные свойства относятся к главным и пренебрегать ими нельзя. Как показывает практика и эксплуатация сложных изоляционных конструкций удовлетворить всем требованиям одним материалом невозможно. Этот комплекс лучше удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, которые дополняют друг друга и могут выполнять различные функции.

.

 

 

Виды изоляции

 

Изоляция может быть разделена на 2 класса:

1. Внешняя изоляция – воздушные промежутки между проводами ЛЭП, внешняя поверхность твердой изоляции контактируемой с воздушной средой, воздушные промежутки между контактами открытых коммутирующих аппаратов, воздушные промежутки между проводами и изоляторами, на которые крепятся провода;

2. Внутренняя изоляция – изоляция обмоток трансформаторов, пазовая часть изоляции обмоток вращающихся машин, изоляция кабелей, герметизирующая изоляция вводов, изоляция между контактами выключателей в разомкнутом состоянии.

Внутр-яя изоляция представляет собой комбин-ю: твердый диэлектрик + жидкий диэлектрик,тв. диэл. + газ.

Особенности внешней изоляции:

Основные параметры зависят от внешних условий: давление, температура, влажность, загрязненность воздуха, и поверхностей твердой изоляции и осадков.

Воздушная внешняя изоляция после пробоя и снятия напряжения на некоторое время, полностью самовосстанавливается, следовательно пробой воздушной изоляции связан с кратковременным перерывом электроснабжения.

       Особенности внутренней изоляции:

Электрическая прочность не зависит от атмосферных условий, главная особенность – это ее старение. Под старением понимают ухудшение изоляции в процессе эксплуатации.

Все время в процессе экспл. в твердой изоляции происходят мелкие микроразряды. В бумажно-маслянной изоляции образ-ся газовые пузырьки. На острых кромках и частях эл.уст-ки возникает высокая напряженность электрической поля и возникает коронный разряд. Под такими возд-ми изоляция разрушается, внутри ее образуются участки с повышенной проводимостью, что усиливает старение изоляции. Влияющим фактором являются диэлектрические потери, они нагревают изоляцию, при большой толщине теплоотвод затруднен и, следовательно, тепловой пробой. Тепловой и комбинированной пробой изоляции является процессом не обратимым и всегда приводит к аварии. Даже пробой жидких и газообразной изоляции не является аварийной ситуацией, а является фактором снижающий срок службы изоляции.

 

Режим нейтрали

В течение всего срока службы изоляция подвергается воздействию различного рода напряжения:

-Во-первых, это длительное воздействие рабочего напряжения, которое почти равно номинальному или могут не значительно, на 10-15%, превышать.

-Во-вторых, это перенапряжения, величина которых определяется большим числом параметров и факторов. Наиболее частой причиной повышения рабочего напряжения, и появления перенапряжения являются возникновение и ликвидация различного рода замыканий на землю. Последствия таких замыканий главным образом зависят от способа заземления нейтрали.

Изолированная нейтраль: при однофазном коротком замыкании через точку замыкания течет сумма емкостных токов не поврежденных фаз. В коротких сетях емкостный ток мал, поэтому если дуга возникает, то гаснет достаточно быстро. В протяженных цепях производят компенсацию больших емкостных токов (>10А). Для гашения дуги с емкостным током нейтраль ЭУ соединяют с ЗУ через                                                                                   реактор.

          В сетях с глухозаземленной нейтралью любое замыкание является коротким                                                                                                                                                                                               и приводит к появлению больших токов, в следствии чего включается релейная защита, далее отключается повреждение, дуга гаснет тем самым снижаю действие дуги на электроустановку.

Выбор нейтрали зависит от многих факторов. В сетях до 35 кВ включительно нейтраль изолированная, компенсированная; 110кВ либо глухозаземленная, либо эффективно-заземленная. В сетях 220 кВ и выше только глухозаземленная.

В большинстве случаев сети 110 кВ имеют эффективно-заземленную нейтраль. Нейтраль называется эффективно-заземленной, если при двух и одно фазном коротком замыкании на землю в любой точке сети вынужденная составляющая напряжения на здоровой фазе относительно земли не превосходит 0,8 наибольшего рабочего линейного напряжения сети или 1,4 наибольшего рабочего фазного напряжения сети, причем это повышение рабочего напряжения должно длиться только на период существования аварии до отключения к.з.

                  

Перенапряжения и их классификация

Перенапряжение – это кратковременное значительное превышение рабочего напряжения по отношению к номинальному напряжению.

Перенапряжения бывают двух видов:

· Внутренние(коммутационные) – возникают в результате различного рода коммутации рабочих и аварийных режимов. Воздействуют кратковременно, но их величина может превышать номинальное напряжение в несколько раз.

· Грозовые – возникают в результате разряда молнии в электроустановку или поблизости от нее.

Отношение амплитуды перенапряжения к амплитуде наибольшего рабочего фазного напряжения называется кратностью перенапряжения (очевидно, что она зависит от режима нейтрали).

         При однофазных дуговых замыканиях с изолированной нейтралью расчетная кратность (т. Петерсона-Слетьяна) может достигать 7,5. На практике не превышает 3-4. В сетях с глухозаземленых нейтралью и быстрым отключением кратность не превышает 1,2-1,4.

         Грозовые перенапряжения возникают при действии молнии, при разряде молнии в изолированный от земли провод возникает волна перенапряжения, эта волна движется в обе стороны со скоростью чуть меньше скорости света) Эта волна проникает в обмотки трансформаторов, эл. машин тем самым воздействую на изоляцию. Величина перенапряжения может достигать нескольких миллионов вольт, причем чем больше ток молнии(в 50% случаев достигает 50 кА), тем больше перенапряжение.

         Статистические измерения и наблюдения показывают, что на ЛЭП возникают перенапряжения в 1 МВ в 70 случаях, без применения специальных защит. Если на ЛЭП применен грозозащитный трос или молниеотвод, то появление перенапряжения в 1 МВ снижается в 35 раза.

         Для обеспечения надежной работы эл. установок изоляция должна выдерживать все виды напряжения, которое может на нее воздействовать при эксплуатации. Таким образом, изоляция должна иметь определенный уровень, он устанавливается на практике с помощью испытательных выдерживаемых и разрядных напряжений. Так как уровень изоляции в значительной мере определяет размеры и стоимость электрооборудования, то стараются его снизить.

         В РФ в сетях до 220 кВ включительно уровень изоляции определяется грозовыми перенапряжениями, так как если она выдерживает грозовые перенапряжения, то она и выдержит и внутренние.

         Свыше 220 кВ уровень изоляции определяется внутренними перенапряжениями, но так как их кратность велика, то их кратность ограничивают на уровне 1,8-2,2. Уровень изоляции необходимо согласовывать с воздействующими на изоляцию напряжения, защитными мерами и целесообразными запасами, обеспечивающими необходимую надежность, такое согласование называется координацией изоляции, также в это понятие входит принятие более высокого уровня изоляции для дорогостоящих и трудно восстанавливающихся электрооборудования и электрооборудования выход из строя которых приведет к тяжелым авариям.    

4. Эл. разряд в газах

Пробой твердого диэлектрика приводит к выходу изоляции из строя. Пробой газа обычно повреждениями не сопровождается. Набольшее распространение получил воздух. В конструкциях Эл. установок, где изоляция выполнена таким образом что U пробоя изоляторов выше разрядных U в воздухе и перекрытиях по поверхности, фактическая Эл прочность определяется только Эл прочностью воздуха. Для обеспечения надежн работы таких изол конструкций необход знать как влияет на Эл прочность газа различные факторы такие как форма, значение и длительность воздействующего напряжения, температура и давление газа, физ-хим св-ва газа, хар-ра Эл поля в воздушном промежутке. Газ состоящий только из нейтральных молекул ток не проводит. Заряженные частицы в газе могут появятся только в результате 2-х процессов: 1 - ионизация молекул газа; 2 - с поверхности электродов. В обоих случаях необходимо затратить энергию, которая расходуется на преодоление внутриатомных сил взаимодействия. При ионизации молекулы образуются  и ион(+). Важно отметить, что ион(+) м.б. подвержен дальнейшей ионизации.

Явление выравнивания концентрации под действием парциального давления наз-ся диффузией. В объеме газа могут находиться ионы(+) и  .В следствии диффузии происходит совмещенная дифф-я  ионов(+) и .В результате скорость их примерно одинаковая.

 

Ударная ионизация

При сообщении атому или молекуле дополнительной энергии,  может перейти на более удаленные орбиты. Тогда атом переходит в возбужденное состояние. В зависимости от газа время нахождения в возбужденном состоянии 10^-8-10^-10с. После этого атом возвращается в нормальное состояние. Это сопровождается излучением фотона, энергия которого равна энергии сообщенной атому. Атому или молекуле может быть сообщена энергия такая, что  может потерять взаимосвязь с атомом.  становится свободным. Явление при котором образуется ион“+” и свободный электрон“-” называется ионизацией.

Энергия затраченная на ионизацию называется энергией ионизации W_и. Она является индивидуальной для каждого газа. “+” ион может быть подвергнут дальнейшей ионизации. При этом необходимо затратить большую энергию.

W_и может быть получена в результате столкновения с какой-либо частицей. Электрон отдает свою кинетическую энергию запасенную при движении в эл. поле.

                                 

х- путь электрона

Ионизация имеющая место при соударении нейтральной молекулы и свободного  называется ударной. Важнейшее место в теории ударной ионизации и теории газового разряда имеет коэф-т ударной ионизации - число актов ионизации осуществляемых свободным электроном осуществляемых на единице пути вдоль силовой линии эл. поля.

 

       1)чем больше E/Р тем большая часть  способна ионизировать молекулы газа при столкновении.

       2)Вероятность ионизации увеличивается при увеличении энергии . 

       3)При увеличении давления вероятность ионизации молекул свободных  уменьшается т.к уменьшается длина свободного пробега электронов.

       4)При t=const средняя энергия свободных электронов зависит от E/P, или от отношения E/δ,

где δ – относительная плотность газа