|
Содержание работы или список заданий
|
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1
ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Цель работы: исследовать изменение параметров электромагнитной волны при прохождении через узловую точку, через индуктивность и мимо емкости.
Теоретические сведения
1. Прохождение электромагнитной волны через узловую точку
При прямом ударе молнии в линию или вблизи нее в землю возникают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль провода ЛЭП. Атмосферные перенапряжения на линиях и подстанциях определяются движением и преломлением этих волн. Поэтом анализ волновых процессов при расчетах устройств грозозащиты имеет принципиально важное значение.
Узловой точкой линии называют такую точку, в которой скачком изменяется соотношение между электрическим и магнитным полем. т. е. изменяется волновое сопротивление линии Z.
При переходе электромагнитной волны с участка линии, обладающего волновым сопротивлением Z1, на участок с волновым сопротивлением Z2 изменяются параметры волны, так как на первом участке соотношение напряжения и тока определяется величиной волнового сопротивления Z1 = U1/I1, а на втором – Z2 = U2/I2 . Такое изменение параметров волны происходит вследствие перераспределения энергии электрического и магнитного полей. При увеличении напряжения волны и уменьшении ее тока часть энергии магнитного поля переходит в энергию электрического поля. Волновое сопротивление линии зависит от индуктивности L0 и емкости C0 единицы длины линии: . Для воздушной линии электропередачи Z = 400–500 Ом, для кабельной линии Z = 5–40 Ом.
Пусть воздушная линия с волновым сопротивлением Z1 переходит в кабельную линию с волновым сопротивлением Z2 в точке a (рис. 1.1а). По линии Z1 движется падающая волна Uпад с прямоугольным фронтом. В точке a произойдет изменение параметров волны: по линии Z2 будет продолжать движение преломленная волна Uпр, а в обратную сторону начнет движение отраженная волна Uотр:
. , (1.1)
где - коэффициент преломления;
– коэффициент отражения.
Коэффициенты и связаны соотношением: = 1+ .
а б
Рис. 1.1. Прохождение электромагнитной волны через узловую точку: а – переход воздушной линии в кабельную; в – эквивалентная схема
2. Прохождение электромагнитной волны через индуктивность
Пусть электромагнитная волна Uпад с прямоугольным фронтом движется по линии с волновым сопротивлением Z1 и набегает через индуктивность L на шины подстанции, от которой отходит линия с волновым сопротивлением Z2 (рис. 1.2).
а б
Рис. 1.2. Прохождение электромагнитной волны через индуктивность: а – линии с индуктивностью; в – эквивалентная схема
За индуктивностью напряжение преломленной волны изменяется по закону:
, (1.2)
где TL = L/( Z1 + Z2) – постоянная времени.
Из уравнения (1.2) видно, что амплитуда преломленной волны Uпр на шинах подстанции уменьшится на коэффициент преломления , а фронт волны будет возрастать по экспоненте с постоянной времени TL, т.е. произойдет сглаживание фронта волны (рис. 1.2а).
Напряжение отраженной волны:
(1.3)
В начальный момент времени (подставим t = 0 в (1.3)) напряжение отраженной волны
(1.4)
В начальный момент времени напряжение отраженной волны равно напряжению падающей волны с сохранением знака, а затем уменьшается по экспоненте (см. рис. 1.2а).
3. Прохождение электромагнитной волны мимо емкости
Пусть на шины подстанции подключена емкость С (рис. 1.3, а). По линии Z1 набегает электромагнитная волна с прямоугольным фронтом. Эквивалентная схема представлена на рис. 1.3б.
а б
Рис. 1.3. Прохождение электромагнитной волны мимо емкости: а – линии с емкостью; в – эквивалентная схема
Напряжение преломленной волны изменяется по закону:
, (1.5)
где TС = СZ1Z2/( Z1 + Z2) – постоянная времени.
Из уравнения (1.5) видно, что амплитуда преломленной волны Uпр на шинах подстанции уменьшится на коэффициент преломления , а фронт волны будет возрастать по экспоненте с постоянной времени TС, т.е. произойдет сглаживание фронта волны (рис. 1.3а).
Напряжение отраженной волны:
(1.6)
или
Напряжение отраженной волны в первый момент времени
, (1.7)
т.е. волна, отраженная от емкости, в отличие от волны, отраженной от индуктивности, изменяет знак и затем убывает по экспоненте (см. рис. 1.3а).
На подстанциях с воздушными линиями для сглаживания фронта выгодно ставить емкость, так как электромагнитная волна, движущееся по таким линиям, несет энергию, большая часть которой заключена в электрическом поле. На подстанциях с кабельными вставками лучше ставить индуктивность, так как вся энергия волны заключена в магнитном поле.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2
МОЛНИЕОТВОДЫ
Цель работы: исследование зависимости зоны защиты двух молниеотводов от их высоты и взаимного расположения.
Теоретические сведения
Рис. 4.1. Молниеотвод
Всякий молниеотвод (рис. 4.1) состоит из молниеприёмника, возвышающегося над защищаемым объектом, токоведущего спуска и заземлителя, расположенного в земле. Хорошее заземление молниеотвода является необходимым условием надежной защиты, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем возникает высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Не меньшее значение имеет осуществление надежных электрических соединений между всеми частями молниеотвода, так как при прохождении тока молнии в местах плохих контактов возникает интенсивное искрение, которое может привести к пожару.
По условием термической устойчивости площадь поперечного сечения токоведущего спуска должна быть равна 25 мм2, однако из условий коррозионной стойкости токоведущий спуск делается площадью 50 мм2 из стальных проволок диаметром 8 мм. Применение стального многопроволочного троса по условиям коррозии не рекомендуется.
Пространство вокруг молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое маловероятно, называется зоной защиты. Зона защиты имеет форму шатра.
Лидер молнии, спускаясь из грозового облака, не чувствует присутствия молниеотвода вплоть до высоты Н. Направление развития лидера устанавливается исключительно самим лидером. Однако, начиная с высоты Н, на направление развития лидера влияет неоднородность электрического поля, вызванная присутствием молниеотвода, и лидер молнии прорастает на молниеотвод. Высота Н называется высотой ориентировки молнии. Для молниеотводов высотой до 30 м высота ориентировки молнии H = kh, где h – высота молниеотвода; k – коэффициент пропорциональности, равный 20 для стержневых молниеотводов и 10 для тросовых. Для стержневых и тросовых молниеотводов высотой более 30 м высота ориентировки молнии равна соответственно 600 и 300 м.
Стержневые молниеотводы. На рис. 1.23 изображен одиночный стержневой молниеотвод высотой h. Разряды молнии, которые проходят не далее чем на расстоянии R = 3,5h, будут захвачены молниеотводом. Расстояние R называется радиусом зоны 100 %-го попадания молнии в молниеотвод.
Рис. 1.23. Стержневые
молниеотводы Рис. 1.24. Упрощенное построение зоны
защиты одиночного молниеотвода
Разряды молнии, которые проходят далее чем на расстоянии R ударят в землю, но не ближе r = 1,6h. Расстояние r называется радиусом зоны защиты на уровне земли. На рис. 1.24 представлено упрощенное построение зоны защиты. На уровне земли откладываются расстояния 0,75h и 1,5h, от вершины молниеотвода вниз – расстояние 0,2h. Точки соединяются прямыми линиями как показано на рис. 1.24. Обведенный контур есть зона защиты.
В том случае, если два равновысоких молниеотвода находятся на расстоянии а = 2R = 7h, зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии соприкасаются (рис. 1.25), поэтому молния не может прорваться через защиту и ударить в землю.
Рис. 4.2. Соприкосновение зон 100 %-го попадания в молниеотвод
на высоте ориентировки молнии H
При сравнивании рис. 4.1 и 4.2 видно, что два рядом стоящих молниеотвода имеют зону защиты большую, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. В том случае, если нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами на высоте h0, то должно выполняться соотношение a < 7(h – h0) (рис. 4.3). При известном расстоянии между молниеотводами (h – h0) = a/7.
Рис. 4.3. Зона защиты двух рядом стоящих стержневых молниеотводов
Построение зоны защиты для двух молниеотводов, имеющих разную высоту, показано на рис. 4.4. Сначала строится зона защиты более высокого молниеотвода h2, затем зона защиты меньшего молниеотвода h1 только с внешней стороны. Через вершину молниеотвода меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты большего молниеотвода. Точке пересечения защищена, поэтому можно предположить, что здесь находится молниеотвод высотой h1 (фиктивный), далее между молниеотводами равной высоты строится зона защиты обычным образом.
Рис. 4.4. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты
Отдельно стоящие молниеотводы высотой до 20 м выполняются из стальных труб, применение растяжек не допускается. Молниеотводы высотой более 20 м выполняются в виде решетчатых конструкций. В качестве несущих устройств могут использоваться конструкции защищаемых объектов.
Задание
Путем изменения положения молниеотводов и их высоты добиться защиты объекта от поражения молнией. Ширина объекта должна составлять не менее 60м и выбирается произвольно, как и его высота. Высота молниеотводов должна быть минимальной.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3
ЗАЗЕМЛИТЕЛИ
Цель работы: исследование зависимости сопротивления заземлителя от его геометрических размеров и удельного сопротивления грунта.
Теоретические сведения
Заземление – электрическое соединение защищаемого объекта с землей. Заземление подразделяется на рабочее, защитное и грозозащитное. Рабочее заземление, например заземление нейтрали трансформаторов, предназначено для обеспечения нормальной работы электроустановки. Защитное заземление, например заземление корпуса установки, который может оказаться под напряжением при коротком замыкании, предназначено для безопасного обслуживания электрических установок. Грозозащитное заземление служит для отвода тока молнии. Для реализации любого вида заземления требуется заземляющее устройство, состоящее из заземлителя, расположенного в земле, и заземляющего проводника, который соединяет заземляемый элемент установки с заземлителем (рис. 1).
Заземлитель принято характеризовать величиной его сопротивления, которое вычисляется как отношение падения напряжения на заземлителе к проходящему через него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометрических размеров и характеристик земли, в которой он находится. В качестве электродов заземлителя используются как вертикальные стержни длиной 2–3 м, так и горизонтальные полосы, уложенные на глубину 0,5–0,8 м (рис.2).
Рис. 1. Заземление Рис. 2. Заземлители
Сопротивление вертикального заземлителя
, (1)
где – удельное объемное сопротивление грунта; L – длина электрода; d – диаметр электрода.
Сопротивление горизонтального заземлителя
, (2)
где L – длина полосы; h – глубина укладки; b – ширина полосы.
Заземлители, индуктивное сопротивление которых мало по отношению к активному сопротивлению, называются сосредоточенными. У протяженного заземлителя индуктивное сопротивление соизмеримо с активным сопротивлением. Название характеризует не длину, а соотношение активного и реактивного сопротивлений. При промышленной частоте все заземлители являются сосредоточенными. Индуктивность заземлителя начинает проявлять себя только при импульсах тока молнии.
Рис. 6.3. Зоны в грунте вокруг заземлителя
в момент прохождения тока молнии
При прохождении через заземлитель тока молнии в грунте возникает электрическое поле. У заземлителя напряженность электрического поля максимальна, во все стороны от заземлителя напряженность падает. Грунт относится к полупроводникам, поэтому его сопротивление с возрастанием напряженности падает. В тот момент, когда по заземлителю протекает ток молнии, в грунте образуются зоны (рис. 6.3): 1) постоянной проводимости; 2) полупроводниковой проводимости, сопротивление грунта падает под воздействием напряженности электрического поля; 3) искровая, происходит пробой земли при напряженности 1,0–1,2 кВ/мм; 4) дуговая, в земле горит электрическая дуга. Образование всех этих зон ведет к уменьшению сопротивления заземлителя.
Сопротивление заземлителя Rи в момент протекания импульса тока и сопротивление заземлителя R~ для промышленной частоты связаны следующим соотношением:
,
где αи – коэффициент импульса заземлителя.
У сосредоточенного заземлителя αи меньше единицы, у протяженного заземлителя αи может быть как больше, так и меньше единицы. Увеличение импульсного сопротивления протяженного заземлителя связано с тем, что из-за индуктивности протяженного заземлителя процессы искрообразования не возникают сразу на всей длине, а распространяются волной от места ввода тока к концу заземлителя.
С целью обеспечения необходимой величины сопротивления заземлителя (например, 0,5 Ом в системах с глухо заземленной нейтралью) применяют несколько параллельно включенных электродов. Сопротивление системы заземлителей рассчитывается по формуле:
,
где n – число заземлителей, η – коэффициент использования заземлителей, всегда меньше единицы.
Появление коэффициента η, который несколько увеличивает сопротивление системы, связано с тем, что заземлители взаимно экранируют друг друга, т.е. препятствуют растеканию тока.
Выбор типа заземлителя связан в основном с характеристиками почвы, в которой он прокладывается. Грунты по удельному сопротивлению ρ подразделяются на пять классов:
Класс I II III IV V
ρ, Ом•м до 100 100–300 300–500 500–1000 более 1000
В очень хорошо проводящих грунтах с ρ < 100 Ом•м для выполнения заземлителя с Rи = 10 Ом достаточно одной-двух труб. В грунтах с удельным сопротивлением до 500 Ом•м импульсное сопротивление заземлителя порядка 10 Ом обеспечивается устройством двухлучевого заземлителя с длиной луча 20 м (рис. 4). Эффективность двухлучевого заземлителя в этих грунтах объясняется его максимальным коэффициентом использования η = 1. В грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом•м целесообразен переход к многолучевым или к контурным заземлителям.
Рис. 4. Различные типы заземлителей
Наибольшим импульсным коэффициентом обладают заземлители с минимальным расстоянием от места ввода тока до наиболее удаленных точек, поэтому целесообразно выполнять заземлители в виде многолучевой звезды с малой длиной луча. Однако с увеличением числа лучей падает коэффициент использования, поэтому число лучей ограничивают четырьмя.
Контурные заземлители совмещают в себе достоинства сосредоточенных и протяженных заземлителей. Большой участок грунта, охватываемый контурным заземлителем, что характерно для протяженных заземлителей, сочетается с малым расстоянием от места ввода тока до наиболее удаленных частей заземлителя, что является преимуществом сосредоточенных заземлителей.
На тех участках, где сопротивление верхних слоев почвы велико (например, сухой песок) и грунтовые воды залегают на большой глубине, целесообразно применение глубинных вертикальных заземлителей длиной до десятков метров. Коэффициент импульса глубинного заземлителя может быть больше единицы, что является неизбежным недостатком.
Порядок устройства заземлителей:
1) измеряется удельное объемное сопротивление грунта;
2) по формулам (6.1 и 6.2) рассчитываются геометрические размеры и число заземлителей;
3) производится монтаж заземлителя;
4) измеряется фактическое сопротивление заземлителя;
5) составляется паспорт и формуляр, в который ежегодно записываются результаты измерений.
На рис. 5 представлена схема измерения фактического сопротивления заземлителя. На расстоянии 40–100 м от заземлителя забивается вспомогательный электрод. Между заземлителем и вспомогательным электродом через амперметр включается трансформатор. На расстоянии 25–50 м от заземлителя вбивается зонд, но не ближе 10–40 м от вспомогательного электрода. Предполагается, что зонд находится в зоне нулевых потенциалов, т.е. ток, протекающий через заземлитель, не изменяет потенциал в месте расположения зонда.
Рис. 5. Схема измерения сопротивления заземлителя
Сопротивление заземлителя вычисляется по формуле R~=U/I, где U – показания вольтметра; I – показания амперметра. Измерения проводятся при переменном токе, так как при постоянном токе вокруг заземлителя происходит поляризация грунта и фактически измеренное сопротивление оказывается завышенным.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ НЕНАГРУЖЕННЫХ ЛИНИЙ
Цель работы: исследование зависимости величины перенапряжений при отключении ненагруженной линии электропередач от ее параметров.
Теоретические сведения
Одним из наиболее часто возникающих в эксплуатации видов коммутационных перенапряжений являются перенапряжения при отключении ненагруженной линии. Такие перенапряжения возникают вследствие повторных зажиганий дуги между расходящимися контактами выключателя. Ненагруженная линия представляет собой емкость. На рис. 1 представлена схема отключения емкости.
Рис. 1. Схема отключения ненагруженной линии: Г – генератор; L – индуктивность генератора; В – выключатель; С – емкость; r – активное сопротивление проводов и обмотки генератора
Во включенном состоянии через конденсатор проходит ток ic , который на 90º опережает напряжение Uг (рис. 2). Пусть в промежуток времени t0 – t1 произошло расхождение контактов в выключателе, за расходящимися контактами горит электрическая дуга, поэтому цепь не прерывается.
Рис. 2. Временная диаграмма напряжения и тока при отключении ненагруженной линии
В момент t1 емкостный ток проходит через нуль и дуга гаснет. Напряжение на емкости в момент t1 будет UC. К моменту времени t2 напряжение на генераторе изменится до –U, на емкости остается +U, следовательно, на контактах выключателя будет 2U. Под действием двойного напряжения возможен пробой масла между контактами, так как от горящей дуги остались продукты горения и электрическая прочность масла не успела восстановиться за 0,01 с. Когда происходит пробой масла и повторное зажигание дуги, начинается колебательный процесс перезарядки емкости c напряжения U до напряжения –U. Частота колебаний определятся величиной C и индуктивностью генератора L: . Колебания будут носить затухающий характер из-за наличия активного сопротивления проводов, осью колебаний будет напряжение генератора. Амплитуда напряжения в момент t2 достигает трехкратного значения, при этом емкостный ток равен нулю. С этого момента возможны два варианта развития событий: 1) дуга не гаснет, и емкостный ток высокочастотных колебаний затухает; 2) дуга гаснет, и напряжение на емкости остается равным 3U. Через половину периода напряжение генератора вновь станет равным +U, а напряжение между контактами выключателя будет 4U. Перезарядка конденсатора с напряжения –3U до напряжения U будет сопровождаться колебательным процессом с амплитудой колебаний 4U и повышением напряжения на линии до 5U. При таких перенапряжениях начинают срабатывать разрядники.
Ограничение перенапряжений при отключении ненагруженных линий может быть достигнуто, прежде всего, в результате применения выключателей, не дающих повторных зажиганий дуги.
Задание
Путем изменения параметров схемы: емкости С проводов ЛЭП, индуктивности генератора L и активного сопротивления проводов r, исследовать их влияние на амплитуду высокочастотных колебаний, частоту и скорость затухания.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5
КОРОНА НА ПРОВОДАХ ЛЭП ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Цель работы: исследование зависимости потерь на корону от напряжения для расщепленных проводов
Теоретические сведения
На рис. 1 изображена кривая напряжения U и емкостный ток iС, опережающий напряжение на 90°. В момент времени t1 напряжение на проводе достигает критического значения Uк, возникает вспышка коронного разряда. Образующиеся в лавинах коронного разряда электроны поглощаются проводом, что ведет к резкому подъему тока короны. По мере роста напряжения стримеры удлиняются, и по ним непрерывно протекает ток, увеличивающий величину положительного объемного заряда. С момента t2 интенсивность ионизации начинает уменьшаться, так как возросший объемный положительный заряд уменьшает напряженность на проводе. Когда напряжение достигает максимума (t3) стримеры распадаются, корона гаснет. Положительный объемный заряд оказывается отрезанным от провода. От максимального значения напряжения (t3) до нуля (t4) ток поддерживается за счет отталкивания положительного объемного заряда от провода, имеющего также положительный заряд. После момента t4 напряжение на проводе становится отрицательным, положительный объемный заряд начинает перемещаться к проводу. В момент t5 происходит вспышка отрицательной короны, вынос электронов из области ионизации создает скачок отрицательного тока. При подходе напряжения к минимуму ионизация затухает, и ток поддерживается за счет движения отрицательных ионов.
Рис. 1. Корона на проводах при переменном напряжении
Заштрихованная область на рис. 1 – это потери на корону, которые можно вычислить по эмпирической формуле Майра:
, кВт/км•фаза,
где n – число проводов в фазе; k – коэффициент погоды; f – частота 50 Гц;
Ек – критическая напряженность, кВ/см; – эквивалентная напряжённость, кВ/см.
Корону на проводах ЛЭП можно уменьшить, применяя провод большего диаметра или расщепляя фазы на 2, 3 или 4 провода. Эти мероприятия уменьшают максимальную напряженность на поверхности провода.
На линиях, включенных непосредственно после монтажа, наблюдаются повышенные потери на корону, которые в дальнейшем постепенно уменьшаются, стремясь к определенному установившемуся значению. Это явление связано с тем, что в процессе монтажа поверхность провода повреждается. После включения линии под напряжение корона горит на поврежденных местах, под действием озона происходит окисление неровностей, поверхность провода сглаживается, и потери на корону уменьшаются.
Большие потери на корону также наблюдаются при включении линии после длительного простоя, так как окисление провода без напряжения увеличивает шероховатость поверхности.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №6
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Цель работы: исследование зависимости параметров импульсной волны от параметров схемы генератора импульсных напряжений.
Теоретические сведения
Генератор импульсных напряжений (ГИН) вырабатывает единичный импульс высокого напряжения и предназначен для испытаний изоляции на импульсную прочность.
Принципиальная схема одноступенчатого ГИНа представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема одноступенчатого ГИНа: Тр – высоковольтный трансформатор; V – вентиль; Rз – зарядный резистор; Сг – емкость генератора; Р – шаровые разрядники; Rхв – хвостовой резистор; rф – фронтовой резистор; Сф – фронтовая емкость
ГИН работает в двух стадиях: 1) заряд; 2) разряд. Во время первой стадии производится заряд емкости генератора Сг через зарядный резистор Rз и вентиль V от высоковольтного трансформатора Тр до напряжения U0. Зарядный резистор Rз (1 МОм) защищает вентиль и трансформатор от перегрузки, заряд длится несколько минут. Затем оператор сводит шары разрядника Р, происходит пробой воздушного промежутка между ними, начинается вторая стадия: разряд емкости Сг через Rхв и одновременный заряд емкости Сф.
Заряд емкости Сф идет в соответствии с уравнением
, (1)
где Тф – постоянная времени фронта волны: .
Одновременно идет разряд Сг через Rхв:
, (2)
где Тв – постоянная времени волны: .
Волна (рис. 2), вырабатываемая ГИНом, представляет собой суперпозицию двух экспонент (1) и (2). Волна имеет крутой фронт, так как Tф << Tв, потому что Rхв >> rф и Сг >> Cф.
Рис. 2. Формирование волны
Длительность фронта волны τф (для краткости говорят: «длина волны», имея в виду длину волны по оси времени, измеренную в мкс) зависит от фронтовой емкости CФ и фронтового резистора rф:
. (3)
Длина волны τв зависит от емкости генератора Сг и хвостового резистора Rхв:
(4)
По рекомендации Международной электрической комиссии (МЭК) волна должна иметь параметры: длина фронта мкс и длина волны мкс. Сокращенная запись параметров волны:
.
В России испытания проводят стандартной волной с параметрами 1,5/40, эти величины укладываются в допуски, рекомендованные МЭК.
Задание
Путем изменения параметров схемы: фронтового сопротивления (rф), фронтовой емкости Сф, хвостового сопротивления (Rхв) и емкости генератора Сг, изучить влияние этих параметров на форму волны (τф и τв).
|