Источники напряжений и токов для испытаний электрооборудования

Изоляция электрооборудования при эксплуа­тации подвергается воздействиям не только ра­бочего напряжения, но и перенапряжений про­мышленной частоты, а также импульсных пере­напряжений, возникающих при ударах молнии в линии электропередачи или вблизи них, при плановых или аварийных коммутациях в систе­ме- Для испытаний изоляции на стойкость к воз­действиям перенапряжений, а также для опреде­ления характеристик изоляции, таких как ее фак­тическая прочность, диэлектрические показате­ли, уровень частичных разрядов и др., применя­ются специальные испытательные установки вы­сокого напряжения. Это прежде всего установки переменного напряжения промышленной часто­ты и генераторы импульсных напряжений, ими­тирующие тот или иной вид перенапряжений. Аналогичные установки используются и для других целей, например, для исследований элек­трического разряда, в электрофизической аппа­ратуре, при имитации ударов молнии и т.д. Рас­смотрим типичные испытательные установки.

Испытательные установки переменного на­пряжений промышленной частоты. В зависимо­сти от класса напряжения и характеристик испы­туемого объекта для получения испытательных напряжений используются отдельные трансфор­маторы, каскадные устройства на базе трансфор­маторов или резонансные схемы.

В отличие от силовых испытательные транс­форматоры выполняются однофазными и рабо­тают в кратковременном режиме. Поэтому они не имеют развитой системы охлаждения. Их но­минальное напряжение в зависимости от на­значения обычно лежит в пределах от несколь­ких десятков до сотен киловольт. Рядом зару­бежных фирм изготовлены уникальные транс­форматоры напряжением 750—1200 кВ. Номи­нальные токи испытательных трансформаторов обычно составляют 0,1—10 А. Важной особенностью выполнения испытательных трансформаторов является стремление предельно снизить) уровень собственных частичных разрядов и ин­дуктивность рассеяния. Первое позволяет более, точно измерять частичные разряды в испытуе­мом объекте, второе—соединять трансформато­ры в каскадные схемы.

Из экономических соображений для по­лучения предельно высоких испытательных напряжений целесообразно использовать последовательное каскадное включение испытательных трансформаторов, имеющих на стороне высокого напряжения специальную обмотку для питания следующей ступени. Обычно каскадные схемы состоят из четырех трансформаторов, причем первая ступень состоит из двух параллельно включенных трансформаторов. Трехсту­пенчатыми каскадами напряжением 2250 кВ и мощностью 5 МВ • А оснащены крупнейшие исследовательские лаборатории России (НИИПТ, СПГГУ, СибНИИЭ и др.), производст­ва фирмы ТиК (г. Дрезден, Германия). Уникаль­ный трехступенчатый каскад напряжением 3 МВ производства этой же фирмы установлен на от крытой площадке ВЭИ (г. Истра).

При испытаниях объектов с большой емкостью, таких как кабели, шинопроводы, элегазовые устройства, используются резонансные схе­мы. В них испытуемый объект соединяется по­следовательно с катушкой индуктивности. Пита­ние осуществляется от трансформатора номи­нальным напряжением порядка 10 кВ. За счет ре­зонанса напряжений на объекте создается испы­тательное напряжение, во много раз превышаю­щее напряжение питающего трансформатора. Использование резонансных схем позволяет су­щественно снизить стоимость испытательной установки.

Испытательные установки постоянного вы­сокого напряжения. Изоляция электрооборудо­вания электропередач постоянного тока, а также некоторого оборудования промышленной часто­ты, например, кабелей городских сетей, испыты­вается постоянным напряжением. Для получения постоянного напряжения до 100 кВ используют­ся испытательные или иные маломощные транс­форматоры в комбинации с выпрямительным элементом. При более высоких напряжениях применяют каскадные выпрямители, состоящие из источника переменного высокого напряжения и ступеней умножения напряжения, содержащих конденсаторы и выпрямители- С помощью кас­кадных выпрямителей получают испытательные постоянные напряжения до 2 МВ при токах до I А. Еще большие постоянные напряжения да­ют каскадные выпрямители, предназначенные для питания ускорителей элементарных частиц.

Другой вид источников постоянных высоких напряжений — электростатические генераторы, принцип действия которых основан на меха­ническом переносе заряда с помощью движу­щейся ленты или вращающихся диска либо бара­бана, для испытания изоляции используется чрезвычайно редко. Однако в технике высоких напряжений электростатические генераторы на­ходят применение в качестве эталонов высокого напряжения, отличающихся высокой стабильно­стью и отсутствием пульсаций.

Генераторы импульсных напряжений и то­ков. Импульсные воздействия на изоляцию под­разделяются на грозовые и коммутационные. Грозовые перенапряжения проявляются в виде импульсов, поступающих по линиям. В форми­ровании импульсов принимают участие как ам­плитуда и крутизна тока главного разряда мол­нии, так и перекрытия изоляции на линии, коро­на на линии. В результате статистического обоб­щения данных о грозовых импульсах, приходя­щих на подстанции, импульс грозовых перена­пряжений нормирован. Считается, что длитель­ность фронта составляет 1,2 мкс, а длительность самого импульса (до половины амплитудного значения) равна 50 мкс. При перекрытиях изоля­ции или срабатывании защитных устройств вблизи рассматриваемого объекта возникает так называемый срезанный импульс, имеющий та­кой же фронт, как и полный, однако гораздо меньшую длительность (2—5 мкс). Для по­лучения испытательных грозовых импульсов ис­пользуются специальные генераторы, принцип действия которых основан на умножении напря­жения при переключении заряженных конденса­торов с параллельного соединения на последова­тельное. Впервые этот принцип умножения на­пряжения описан в 1914 г. И,К. Лркадьевым и Н.Н. Баклиным, а в 1923 г. на аналогичную схе­му получил патент Э. Маркс (Германия).

Генераторы импульсных напряжений, ис­пользуемые для исследований электрического разряда, для испытаний макетов и готовой изо­ляции, созданные в разных странах и в разное время, различаются по параметрам и конструк­ции. Существуют различные варианты генерато­ров как для внутренней, так и для наружной ус­тановки. Генераторы для наружной установки выполняются в виде изоляционных башен, лест­ничных конструкций, подвесных устройств и т.п. Еще более разнообразны разновидности генераторов для внутренней установки: этажерочные, колонковые, многомаршевые лест­ничные, подвесные, башенные, передвигаемые по рельсам или на воздушной подушке, выпол­ненные в изоляционном баке, с заполнением элегазом и т.п.

Уникальные генераторы были созданы в на­шей стране. Так, на открытой площадке Харьков­ского электротехнического института в 30-с годы был сооружен генератор суммарным зарядным напряжением 8,3 МВ и накапливаемой энергией 500 МДж, разрушенный во время Великой Отечественной войны. В ВЭИ (г. Истра) на от­крытой площадке установлен генератор в виде изоляционной башни напряжением 9 МВ и энер­гией 1,35 МДж, на котором возможно испытание изоляции классов напряжения до 2 МВ.

Разнообразными генераторами внутренней установки фирмы ТиК напряжением до 7,2 МВ и энергией до 1 МДж оснащены практически все российские организации, занимающиеся разра­ботками и испытаниями изоляционных конст­рукций высокого напряжения.

Генераторы импульсных напряжений снаб­жаются вспомогательными устройствами, яв­ляющимися составной частью разрядного конту­ра, формирующего требуемый импульс: измери­тельным шаровым разрядником, устройством среза напряжения, делителем высокого напряже­ния, нагрузочным конденсатором, набором смен­ных резисторов и т.д. Установкой резисторов с разными сопротивлениями достигается изме­нение формы выходного импульса генератора.

Коммутационные импульсы перенапряже­ний имеют иную природу, чем грозовые, и соот­ветственно иные параметры,

Формирование коммутационных импульсов происходит в результате переходных процессов в цепях, образованных емкостями, индуктивностями, сопротивлениями объекта и соседнего оборудования, участками линий электропере­дачи между местом коммутации и рассматривае­мым объектом. Так как схема передачи и пара­метры ее элементов могут быть самыми разнооб­разными, то и параметры коммутационных им­пульсов могут сильно отличаться. Причем от­личие может состоять не только и амплитуде, но и в форме импульса и его временных парамет­рах. Основным стандартизированным коммута­ционным импульсом является апериодический с временем нарастания 250 мкс и длительностью 2500 мкс- Кроме того, установлены и иные вре­менные параметры и формы коммутационных импульсов; колебательные с переходом и без пе­рехода через нуль. Соответственно различаются и устройства для получения испытательных ком­мутационных импульсов.

Апериодические коммутационные импульсы получают, как правило, от генераторов импульс­ных напряжений, предназначенных для форми­рования грозовых импульсов, путем замены ре­зисторов, входящих и схему генераторов. Коле­бательные импульсы требуют включения в раз­рядную цепь генератора дополнительных кату­шек индуктивности. При •угом катушки могут быть включены как в ступенях генератора, так и на его выходе. Один из способов получения коммутационных импульсов, разработанным в ЛПИ, заключается в разделении генератора импульсных напряжений на две части, одна из которых имеет фронтовые резисторы, а вто­рая — катушки индуктивности.

При зарядке частей генератора напряжения­ми разных полярностей можно на выходе генера­тора получить напряжение, равное сумме апе­риодического и колебательного затухающего импульсов, сформированных разными частями генератора.

Другой возможностью получения коммута­ционных импульсов колебательной формы явля­ется импульсное питание испытательного транс­форматора или каскада трансформаторов. Для этого разработаны конденсаторные приставки к испытательным трансформаторам, состоящие из двух групп конденсаторов и коммутатора. При разряде этих групп конденсаторов, присое­диненных к первичной обмотке трансформатора и заряженных напряжениями разных полярно­стей (одной через резистор, а второй через ка­тушку индуктивности), на первичной обмотке трансформатора формируется импульс напряже­ния, содержащий апериодическую и колебатель­ную составляющие.

Преимущество использования каскадной схемы испытательных трансформаторов за­ключается в том, что, возможно, реализовать на­ложение в нужный момент коммутационного импульса на синусоидальное напряжение про­мышленной частоты, включив конденсаторную приставку в последнюю ступень каскада.

Испытания изоляции напряжением промыш­ленной частоты, грозовыми и коммутационны­ми импульсами являются лишь частью испыта­ний электрооборудования. Так, некоторые виды оборудования требуют испытаний импульсными токами. Коммутационная аппаратура подлежит испытаниям на отключающую способность, электродинамическую устойчивость. Защитная аппаратура (разрядники, ограничители перена­пряжений) должна испытываться на устойчивость при прохождении через нее импуль­сов тока, обусловленного грозовыми или комму­тационными перенапряжениями. Техника по­лучения испытательных токов базируется на ис­пользовании либо ударных генераторов, либо емкостных накопителей энергии. Так, для ими­тации токов коротких замыканий при испытании электрооборудования в 1924 г. на заводе «Электросила» был изготовлен первый машинный ге­нератор импульсных токов, В 1937 г. А.А. Горев впервые предложил использовать колебатель­ный контур для получения сильных токов про­мышленной частоты — «контур Горева», За раз­работку метода и создание установки проф., А.А. Горев и его сотрудники были удостоены в 1948 г. Государственной премии СССР.

Следует отметить еще одну проблему, свя­занную с испытаниями разнообразных объектов, в том числе и электрооборудования, на ус­тойчивость при прямых ударах молнии. Для имитации удара молнии в объект на кафедре тех­ники и электрофизики высоких напряжении МЭИ созданы уникальные установки, способ­ные в реальных масштабах амплитуд и времени воспроизводить сложные по форме импульсы тока, включая многокомпонентные токи молнии.

Дата добавления: 2014-12-25