Лабораторная работа №1
ИСПЫТАНИЕ НАРУЖНОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ИМПУЛЬСНОМ И ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИЯХ
Цель работы
Ознакомиться с принципом действия генератора импульсных напряжений (ГИН), освоить методики испытания наружной изоляции импульсным и переменным высокими напряжениями.
Программа работы
1. Ознакомиться с электрической схемой ГИН и его конструкцией.
2. Произвести расчет длительности фронта (tф) и длительности волны (tв) на выходе ГИН в режиме генерирования грозового импульса, оценить коэффициент использования разрядной схемы hразр.
3. В режиме автоматического срабатывания ГИН снять экспериментально зависимость амплитуды волны напряжения на выходе от напряжения срабатывания разрядника первой ступени 
4. Используя градуировочную кривую ГИН (п.3), определить 50%-процентное импульсное разрядное напряжение предложенных типов изоляторов 
.
5. С помощью установки высокого переменного напряжения определить следующие электрические характеристики испытываемого изолятора:
· напряжение начала видимого коронного разряда 
;
· напряжение перекрытия в сухом состоянии 
;
· напряжение перекрытия при увлажненной поверхности 
;
6. Сравнить полученные в пп.4 и 5 разрядные напряжения с испытательными напряжениями, напряжение начала короны с нормируемым.
7. Ознакомиться с основными видами и характеристиками подвесных, опорных и проходных изоляторов на выставке.
8. Составить отчет по работе, в который включить:
· электрическую схему ГИН и схему испытаний на переменном напряжении;
· аналитический расчет по п.2;
· результаты градуировки измерительной системы;
· график зависимости 
;
· значения измеренных разрядных и испытательных напряжений испытуемого изолятора.
Пояснения к работе
Испытания изоляционных конструкций или их отдельных элементов проводят для решения различных научных и практических задач, и их разделяют на исследовательские и контрольные. Если исследовательские испытания проводят для получения новой информации о процессах в изоляции, о характеристиках или свойствах новых конструкций, то контрольные – для проверки соответствия характеристик изоляционной конструкции установленным техническим требованиям (нормам).
Контрольные испытания являются средством повышения эксплуатационной надежности высоковольтного оборудования.
Для проверки правильности технических решений, принятых при разработке новой изоляционной конструкции, опытные образцы или первые экземпляры конструкции подвергаются наиболее тщательным типовым контрольным испытаниям, по которым дается заключение о передаче новой конструкции в производство.
При контрольных приемосдаточных испытаниях отбраковываются изоляционные конструкции со случайными дефектами, возникшими в процессе производства. Этим испытаниям подвергаются все ответственные крупные изоляционные конструкции, а также представительные выборки из партий небольших конструкций массового производства перед отправкой потребителю.
Приемосдаточные испытания после монтажа перед вводом в эксплуатацию позволяют выявить дефекты, которые могли случайно появиться во время хранения, транспортировки и монтажа изоляционных конструкций.
Профилактические испытания (периодические или непрерывные) проводят для контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования в процессе эксплуатации, а после плановых или иных ремонтов оборудования, перед новым включением в работу - приемосдаточные испытания.
В процессе эксплуатации изоляторы подвергаются воздействию напряжения различной формы и амплитуды, в том числе рабочему напряжению и квазистационарным перенапряжениям частотой 50 Гц, коммутационным и грозовым перенапряжениям.
При этом воздействующие перенапряжения могут сочетаться с различными атмосферными условиями. Знание электрических характеристик изоляторов необходимо для обоснованного выбора типов изоляторов, их числа в гирлянде и колонке.
Сухоразрядное напряжение - это напряжение промышленной частоты, при котором происходит разряд по чистой и сухой поверхности изолятора. Мокроразрядное напряжение 
- это напряжение промышленной частоты, при котором происходит разряд по поверхности под стандартным искусственным дождем определенной интенсивности и структуры.
ГОСТом регламентируются следующие характеристики изоляторов, проверяемые при испытаниях: выдерживаемое и разрядное напряжения в сухом состоянии и под дождем , импульсное разрядное напряжение 
, напряжение пробоя в масле 
. Важной характеристикой является также напряжение начала короны – напряжение, при котором уровень радиопомех от короны на электродах изоляторов не превышает допустимый.
Изоляция всех типов электрооборудования, подверженного воздействию грозовых перенапряжений, должна испытываться нормированными грозовыми импульсами высокого напряжения. ГОСТом регламентируются полный испытательный импульс с фронтом и длительностью 
и срезанный импульс с временем среза 
(рис. 1).
Импульсным разрядным напряжением называется амплитуда стандартного грозового импульса, при котором происходит перекрытие изолятора по чистой и сухой поверхности с вероятностью 0,5.
Рис.1. Форма испытательного импульса
При работе изоляторов в гирлянде неравномерность загрузки их по напряжению может привести к появлению короны у электродов крайних изоляторов и способствует образованию радиопомех. Коронный разряд приводит также к ускоренному старению изоляции и коррозии арматуры. При рабочем напряжении необходимо соблюдать условие 
, где – экспериментально определенная для различных типов изоляторов нормируемая величина напряжения допустимых радиопомех 
, 
- напряжение на единичном изоляторе.
При плавном повышении напряжения свыше разряд по сухой поверхности переходит в стримерную форму. Перекрытие происходит при пересечении одним из стримеров всей поверхности изолятора.
При увлажненной поверхности изоляторов процесс развития разряда протекает иначе. Ток, протекающий при приложении напряжения по проводящему слою, подогревает влагу, что обеспечивает местную подсушку поверхности и образование в этих местах частичных дужек между влажными проводящими участками. Повышение напряжения приводит к растягиванию дужек и к перекрытию по поверхности. Такой механизм разряда способствует снижению разрядного напряжения при длительном воздействии. Импульсное же разрядное напряжение не зависит от состояния поверхности.
Для получения испытательных импульсов высокого напряжения используют генераторы импульсных напряжений, собранные по схеме Аркадьева – Маркса. Принцип работы ГИН можно пояснить по схеме, представленной на рис.2
|
Рис.2. Схема, поясняющая принцип действия ГИН
Первая стадия работы ГИН – длительная зарядка параллельно соединенных емкостей 
от источника выпрямленного напряжения 
через защитное 
и зарядное 
сопротивления, после которой потенциалы точек 1, 3, 5, 7, 9 схемы равны , а четных точек – нулю.
На второй стадии происходят практически мгновенная коммутация заряженных емкостей в последовательную цепь при срабатывании секционных шаровых разрядников и соответственно разряд ГИН на нагрузку. Первым срабатывает (или поджигается принудительно) разрядник на первой ступени. Емкость разряжается по контуру «земля» - 1 – 0 – 2 и точка 2 приобретает потенциал 
. Потенциал точки 3 сохраняет значение 
, а разность потенциалов между точками 2 и 3 становится равной 
. Пробивается второй промежуток, и потенциал точки 3 принимает значение 
. Снижение потенциала точки 3 от до на приводит к аналогичному понижению потенциала точки 4 до значения 
, при этом разность потенциалов на третьем промежутке достигает величины 
и т. д. В итоге, на выходе ГИН (точка 9) после последовательного срабатывания n ступеней будет потенциал 
, который и определяет номинальное напряжение ГИН.
ГИН может функционировать в режиме автоматического срабатывания разрядников ступеней, когда момент коммутации определяется моментом достижения разности потенциалов между точками 1 и 2 пробивного напряжения разрядника. При этом потенциал точки 9 ГИН 
, что связано с ограниченным временем зарядки ГИН и разными постоянными времени заряда емкостей С0 ступеней, возрастающими с увеличением номера ступени. Недоиспользование емкостей ГИН по напряжению в автоматическом режиме работы характеризуется коэффициентом использования зарядной схемы:
. (1)
В режиме работы ГИН с полной зарядкой ступеней 
. Обычно многоступенчатые ГИН выполняются с принудительным поджигом разрядников 1-й ступени, при этом время зарядки может быть достаточно велико, и 
Необходимым условием уверенной коммутации ГИН является точная настройка промежутков секционных разрядников. Применяются также управляемые разрядники, например многозазорные, во всех ступенях ГИН либо в первых ступенях, что существенно повышает диапазон возможного регулирования амплитуды импульса ГИН.
Для формирования фронта импульса и его спадающей части применяют формирующие элементы схемы: фронтовое сопротивление 
, разрядное сопротивление 
, разрядную емкость 
, в состав которой входят как специальный подстроечный конденсатор, так и емкости объекта испытания, ошиновки, делителя напряжения, измерительных шаров и т. д.
|
а) |
|
б) |
Рис.3. Схема замещения ГИН и принцип формирования волны
Эквивалентная схема замещения разрядного контура ГИН показана на рис.3. Разряд ГИН аналогичен разряду эквивалентной емкости 
(емкость в ударе ГИН), заряженной до напряжения 
, на формирующую цепь , , . Напряжение на выходе ГИН определяется при этом как
, (2)
где 
- коэффициент схемы ГИН, который характеризует недоиспользование схемы по напряжению ввиду падения напряжения на продольном сопротивлении 
и затраты части энергии ГИН на подзарядку емкости . Постоянные времени Т1 и Т2 определяют фактически фронт и длительность импульса и вычисляются как
(3)
Амплитуда импульса достигается в момент времени 
и составляет
. (4)
Параметр 
- называется коэффициентом волны и зависит только от соотношения фронта и длительности импульса.
Таким образом, фронт определяется постоянной времени подзарядки емкости в контуре 2 рис.3, а длительность импульса – постоянной времени разряда емкости ГИН и на сопротивление .
При формировании стандартных испытательных импульсов обычно соблюдается условие 
. При этом справедливы следующие упрощенные соотношения, которые можно использовать для оценки фронта и длительности грозового импульса:
. (5)
Амплитуда импульса может быть определена как
, (6)
где 
- коэффициент использования разрядной схемы ГИН.
При более точном описании формы волны ГИН требуется учет паразитных параметров: эквивалентной емкости элементов конструкции генератора на землю (Сп) и индуктивности разрядного контура (Lп). Наличие Lп может привести к колебательным явлениям в начальной части импульса. Колебаний в разрядном контуре не возникает, если обеспечивается условие апериодичности разряда
. (7)
Дополнительное демпфирование колебаний в основном разрядном контуре, а также в разрядных контурах ступеней, включающих паразитные емкости ГИН на землю и паразитные индуктивности соединительных проводников на ступенях, производится введением дополнительных демпферных сопротивлений Rд (рис.2).
Неучет паразитных емкостей ГИН на землю Сп при расчетах разрядной схемы ГИН может привести к завышенным оценкам ожидаемой амплитуды импульса.
В лабораторной работе ГИН собран на базе 7 конденсаторов в металлическом корпусе (Uн = 20 кВ, С0 = 0,5 мкФ, рис.4).
|
Рис.4. Принципиальная схема установки ГИН – 140 кВ
Питание подается от источника выпрямленного напряжения (трансформатор ЗНОМ – 100/10000 со схемой удвоения напряжения, в которой Rз – сопротивление для защиты диодов Д1 и Д2). Напряжение на емкости первой ступени ГИН фиксируется киловольтметром. Регулировка амплитуды ГИН проводится в режиме автоматического срабатывания при помощи поворотной штанги с электроприводом, на которой укреплены шары секционных разрядников.
Параметры элементов ГИН в режиме генерирования грозовых импульсов следующие:
С0 = 0,5 мкФ, Ср = 5,5 нФ, Rр = 1 кОм, 
Ом, 
Ом.
Испытания изоляторов на промышленной частоте проводятся на установке, собранной на основе повышающего трансформатора ИОМ – 100/25 с параметрами 
(рис.5). При перекрытии изоляторов происходит автоматическое отключение установки.
В табл.1 приведены электрические характеристики некоторых типов изоляторов.
Рис.5. Схема испытания изоляционных конструкций
на переменном напряжении
Таблица 1
Электрические характеристики некоторых типов изоляторов
Тип изолятора |
| Выдерживаемое напряжение, кВ | |||
сухая поверхность |
под дождем |
1,2/50 |
| ||
ПС70-А (ПС-6А) | 28 | 60 | 40 | 90 | 100 |
ПС120-Б (ПС-11) | 32 | 65 | 45 | 100 | 115 |
ОНСУ-10-300 | - | 47 | 34 | 80 | 100 |
Методические указания
В режиме автоматического срабатывания ГИН напряжение питания трансформатора Тр выставляется равным 100 В и остается неизменным. Амплитуда импульса регулируется изменением напряжения срабатывания секционных шаров путем включения привода поворотной штанги.
Шаровой разрядник ШР при градуировке является эталонным измерительным прибором со шкалой в виде таблицы 50%-х разрядных напряжений U50%, установленной ГОСТом. Измерение при помощи шаров импульсного напряжения производится в режиме автоматического срабатывания ГИН. Расстояние между измерительными шарами устанавливается поочередно (S = 2, 3 и 4 см) и, регулируя амплитуду импульсов ГИН, добиваются для выставленных значений вероятности пробоя промежутка 0,5 (Рпр = 0,5). Далее находится соответствующее табличное разрядное напряжение U50% табл. Фактически амплитуда импульса определяется с учетом поправки на атмосферные условия:
, (8)
где 
, p – давление, мм рт. столба; Т – абсолютная температура, К.
При нормальных атмосферных условиях (p0 = 760 мм рт. ст., t0 = 200С) d = 1.
Характеристика генератора в автоматическом режиме снимается в диапазоне 
= 8…20 кВ.
Напряжение начала короны определяется визуально, по факту погасания коронного разряда при плавном снижении напряжения. Напряжение перекрытия в сухом и увлажненном состояниях определяется при плавном подъеме напряжения с постоянной скоростью до перекрытия. Поверхность изолятора увлажняется водопроводной водой. При испытании на переменном напряжении выполняется по 3 опыта и определяется среднее напряжение, которое сравнивается с данными табл.1.
Контрольные вопросы
1. С какой целью проводятся испытания изоляции повышенным напряжением?
2. Принцип работы ГИН.
3. Каково значение элементов , , , 
в схеме ГИН?
4. Как измерить амплитуду импульса напряжения при помощи шарового разрядника?
5. Какие трудности могут возникнуть при испытании на ГИН объектов с большой емкостью?
6. Как определить 50-процентное разрядное напряжение?
7. Почему скорость подъема напряжения при испытании на промышленной частоте должна быть постоянной?
8. Чем объяснить увеличение электрической прочности изоляторов на импульсном напряжении в сравнении с напряжением переменной частотой 50 Гц?
Литература
1. и др. Изоляция установок высокого напряжения: Учебник для вызов/ , , ; Под общ. ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. Техника высоких напряжений/ Под ред. . – М.: Высшая школа, 1973.
