Основные правила по технике безопасности

При работе на испытательных установках высокого напряжения

К выполнению работ в лаборатории Техники высоких напряжений (ТВН) допускаются сотрудники кафедры, изучившие оборудование лаборатории, прошедшие инструктаж по технике безопасности (ТБ) и имеющие соответствующую квалификационную группу по ТБ. Работы на установках высокого напряжения производятся бригадой в составе не менее 2-х человек. Студенты допускаются к выполнению лабораторных работ после прохождения инструктажа по ТБ, о чем должна быть сделана запись в журнале инструктажа по ТБ. Работа на установках высокого напряжения (ВН) проводится студентами под руководством преподавателя. Самостоятельная работа студентов на установках ВН не допускается.

Подготовка установки к работе

 Перед началом работы на установке ВН необходимо убедиться в следующем:

1. Рубильники питания отключены, на рубильнике с видимым разрывом висит плакат «Не включать! Работают люди!».

2. На стороне высокого напряжения установки наложено переносное заземление.

3. Регулятор напряжения находится в нулевом положении.

4. Сетчатое ограждение, заземление, блокировка и световая сигнализация исправны.

5. Дверь ограждения открыта.

Только убедившись в выполнении всех указанных выше пунктов, можно производить работы на стороне высокого напряжения.

4.2 Порядок включения установки

          Перед включением установки необходимо:

1. Проверить, что все члены бригады находятся на рабочих местах и за ограждением никого нет.

2. Предупредить бригаду словами: «Подаю напряжение», снять временное заземление, включить сетевой рубильник или выключатель.

3. Включить установку вторым рубильником, максимальным автоматом и с помощью регулятора напряжения повышать напряжение до необходимой величины. С момента снятия заземления все элементы испытательной установки считаются под напряжением, и производить какие-либо пересоединения в схеме ЗАПРЕЩАЕТСЯ! После включения установки – выполнять только ту работу, к которой допущены руководителем.

4.3 Порядок выключения установки

    После окончания работы на установке или после автоматического отключения установки необходимо:

1. Перевести регулятор напряжения в положение, соответствующее минимальному напряжению.

2. Отключить рубильники питания, обеспечить в цепи питания видимый разрыв и вывесить плакат: «Не включать! Работают люди!».

3. С помощью переносного заземления произвести разрядку заряженных емкостей (конденсаторов, кабелей), наложить переносное заземление на высоковольтный вывод трансформатора и сообщить членам бригады: «Напряжение снято!». После этого можно производить переключения в схеме испытательной установки.

4.4.Перечень запрещенных действий

 1. Не оставлять установку, находящуюся под напряжением, без присмотра.

 2.Не находиться во время работы установки за ограждением, не прикасаться к ограждению, не протягивать сквозь ограждение руки, посторонние предметы и т.д.

4.5. Действия в аварийных случаях

         При возникновении аварийной обстановки необходимо:

1. Немедленно отключить рубильники питания.

2. Наложить переносное заземление на высоковольтный вывод испытательного трансформатора.

3. В дальнейшем действовать в соответствии с характером и размерами очага аварии, стремясь к возможно быстрейшей ее ликвидации.

4.6. Перечень защитных устройств и средств

1. Сетчатые ограждения вокруг испытательного поля высокого напряжения.

2. Дверная блокировка, световая сигнализация, предупредительные плакаты.

3. Заземление сетчатого ограждения, корпуса испытательного трансформатора регулятора напряжения.

4. Временное переносное заземление.

5. Вспомогательные защитные средства: диэлектрические коврики и перчатки.

Лабораторные работы

Содержание отчета по лабораторной работе

 и правила его оформления

    Отчет составляется на листах бумаги 11 формата. На титульной странице отчета указываются:

Название учебного заведения, кафедры.

Номер лабораторной работы и название предмета (дисциплины).

Наименование лабораторной работы, фамилия и инициалы исполнителя, номер группы, специальность.

Дата выполнения работы. Пример выполнения титульного листа в приложении 4.

    На последующих страницах приводятся следующие сведения:

Краткое изложение цели исследования и описание объекта исследования с указанием его основных параметров или характеристик.

1. Краткое описание методики проведения лабораторной работы.

2. Электрические схемы, по которым выполнялись исследования и технические характеристики использованного основного оборудования.

3. Результаты наблюдений в виде таблиц. Все таблицы и схемы должны иметь наименования.

4. Расчетные соотношения и формулы, используемые в работе. Примеры расчета в цифрах.

5. Необходимые зависимости, представленные в виде графиков.

При построении кривых следует пользоваться масштабами, выражающимися числами 1,2,5, умноженными на 10n, где n - целое число. Под каждым графиком должно быть указано его наименование. Если на графике приводятся несколько кривых - каждая кривая помечается цифрой, а под графиком дается необходимое разъяснение. По каждой кривой в отчете приводится расчет 2-3 точек.

На графиках необходимо показать точки, полученные во время эксперимента или в результате расчета, по которым строились кривые. На координатных осях графиков нужно указывать наименование величин и их размерности.

6. Выводы и заключение по полученным результатам.

7. Подпись исполнителя.

8. Отчеты выполняются чернилами. Графики и схемы можно выполнять карандашом с применением необходимых чертежных инструментов.

Каждый член студенческой бригады выполняет индивидуальный отчет по лабораторной работе.

 

Лабораторная работа № 1

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ

Цель работы

Экспериментальное исследование зависимостей разрядных напряжений в воздухе от расстояния между электродами, конфигурации электрического поля (слабонеоднородное, неоднородное), конфигурации электродов.

 

Теоретические положения

   В качестве изоляции между проводами, ошиновкой и конструктивными элементами электрических распределительных устройств (ГРЩ, РЩ и т. д.), внешней изоляции трансформаторов и электрических аппаратов широко используются воздушные промежутки. Знание основных закономерностей возникновения электрических разрядов в воздухе, учет влияния различных факторов на электрическую прочность воздушных промежутков позволяют определять ее величину при проектировании высоковольтного оборудования и высоковольтных конструкций.

  Явление электрического пробоя в газах объясняется на основе физических представлений об образовании и развитии электронных лавин в процессе ионизации атомов или молекул газа электронами в электрическом поле. Интенсивность процесса ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации α, который определяется как число ионизации, совершаемых одним электроном на пути в 1см вдоль силовых линий электрического поля.

В воздухе, как и в других электроотрицательных газах, основным процессом, препятствующим развитию ударной ионизации, является прилипание электронов к нейтральным частицам с образованием отрицательных ионов. Характеристикой этого процесса является коэффициент прилипания η, зависящий от соотношения Е/р и вида газа и определяемый из экспериментальных данных (где E -напряжённость электрического поля, p -давление).

С учетом процессов потерь электронов развитие ударной ионизации в электроотрицательных газах описывается с помощью эффективного коэффициента ударной ионизации

                             (1.1)

   Для возникновения электрического разряда в газе необходимо, чтобы в межэлектродном промежутке появился хотя бы один электрон в результате действия естественных ионизаторов. В этом случае в сильных электрических полях соударение электрона с нейтральной частицей вызывает ударную ионизацию – образуются два свободных электрона, каждый из которых совершает новые акты ионизации, т.е. возникает лавина электронов. Количество электронов в лавине

,                              (1.2)

где  – число начальных электронов; х – путь, пройденный лавиной вдоль силовых линий электрического поля.

     Возникновение электронной лавины сопровождается образованием положительных ионов и фотонов, которые, взаимодействуя с поверхностью катода, вызывают появление вторичных электронов, эмитируемых катодом. Такой разряд будет поддерживаться самостоятельно без участия внешних ионизаторов, если положительные ионы и развивающаяся в межэлектродном промежутке лавина своим излучением будут вызывать появление не менее одного нового электрона, который, в свою очередь, будет создавать новую лавину с не меньшим числом электронов.

    При повышенном давлении газа разряд развивается в виде канала-стримера. Величина напряжения, при котором в межэлектродном промежутке выполняется условие самостоятельности разряда, называется начальным напряжением U ₀. В неоднородных электрических полях полному электрическому пробою промежутка предшествует возникновение короны – одного из видов самостоятельного разряда. Поэтому в неоднородных полях начальное напряжение соответствует напряжению возникновения короны, а в однородных – электрическому пробою.  

     Начальные и пробивные напряжения (амплитудное значение) в киловольтах для простейших геометрических форм электродов можно определить из эмпирических выражений.

    Параллельные плоские электроды:

,                                  (1.3)

где  – относительная плотность воздуха;   Т₀ – соответственно давление и температура воздуха при нормальных условиях ( =101300 Па, Т₀ =293 К); р, Т – соответственно давление и температура воздуха в условиях экcперимента; d –расстояние между электродами, см.

      Сфера-сфера:

,                              (1.4)

где f - геометрический фактор; r - радиус сферы.

При симметрично включенном напряжении

.

Если одна из сфер заземлена, величина f определяется из таблицы 1.1.

 

Таблица 1.1.

	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	1,1	1,15	1,2	1,25	1,31	1,38	1,45	1,52	1,01	2,34

 

При условии  формула (1.4) дает величину пробивного напряжения промежутка, при  – напряжения начала короны.

   Коаксиальные цилиндры:

,                     (1.5)

где , R – соответственно радиусы внутреннего и наружного цилиндров.

Формула (1.5) дает значение пробивного напряжения промежутка при  и начального напряжения – при  Из анализа выражения ,   следует, что величина U ₀ имеет экстремум при =2,718.

   Параллельные цилиндры

                               (1.6)

где d - расстояние между электродами, см;

  r - радиус электродов, см.

Формула (1.6) даёт значение пробивного напряжения при , но при условии, что  и значения коронных напряжений при .

    Стержневые электроды

Для незаземлённых стержней

                                  (1.7)

Один стержень заземлён

                                 (1.8)

Промежуток стержень - плоскость

 δ                                    (1.9)

Формулы (1.7), (1.8), (1.9) справедливы при расстоянии между электродами  для переменного напряжения и дают амплитудные значения разрядных напряжений.

При одинаковых расстояниях между электродами наименьшие пробивные напряжения получаются для промежутка стержень-плоскость, поле которого наиболее неравномерно.

     В резконеоднородных несимметричных электрических полях (стержень-плоскость, коаксиальные цилиндры при ) при воздействии выпрямленного напряжения величина пробивного напряжения воздушного промежутка зависит от полярности электрода с меньшим радиусом кривизны (эффект полярности). При этом напряжение возникновения короны меньше при отрицательной полярности, а пробивное напряжение – при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны. Объяснение этого эффекта связывается с существенным влиянием поля объемного положительного заряда ионов у катода на распределение напряженности электрического поля в промежутке.

    При отрицательной полярности электрода величина напряженности электрического поля у его поверхности увеличивается за счет влияния положительного объемного заряда ионов и уменьшается в глубине промежутка. Это облегчает появление короны у поверхности электрода, но затрудняет процесс прорастания разряда вглубь промежутка (в область слабого поля). При положительной полярности наблюдается обратная картина: поле у поверхности электрода ослабляется, что затрудняет появление короны, а в глубине промежутка усиливается – пробивное напряжение понижается.

    Располагая в межэлектродном промежутке диэлектрический барьер, можно повысить электрическую прочность воздушного промежутка при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны. При этом существует оптимальное положение барьера в межэлектродном промежутке, при котором достигается наибольшая электрическая прочность. Барьерный эффект объясняется выравниванием электрического поля между барьером, на котором оседают положительные ионы, двигающиеся вдоль силовых линий электрического поля, и электродом с большим радиусом кривизны. При этом повышение пробивного напряжения промежутка может происходить при незначительной собственной электрической прочности диэлектрического барьера. На величину пробивного напряжения воздушного промежутка оказывает влияние влажность воздуха. Повышение абсолютной влажности приводит к некоторому повышению электрической прочности воздушных промежутков за счет уменьшения коэффициента ударной ионизации электронами в результате их прилипания к электроотрицательным молекулам водяного пара. Приведение экспериментальных значений U ₀ к условиям нормальной относительной влажности воздуха (63%) при Т =293 К производится с помощью поправочного коэффициента k, определяемого из выражения

                                            (1.10)

где U _0н – разрядное напряжение при нормальных условиях. График определения коэффициента k приведен в ГОСТ 1516.2.

Экспериментальная установка

    Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1 в приложении 5. Источником высокого напряжения промышленной частоты является испытательный трансформатор Т1 типа ИОМ-70/30. Обмотка υ специально предназначена для измерения высокого выходного напряжения трансформатора вольтметром, шкала которого градуирована в киловольтах. Если испытательный трансформатор ИОМ не имеет специальной обмотки для измерения высокого напряжения, то его можно измерить с помощью электростатического киловольтметра С-96, подключаемого к обмотке ВН, или по показаниям вольтметра р V1 и коэффициенту трансформации трансформатора ИОМ. Следует помнить, что при измерениях получают действующие значения напряжения. Для получения амплитудных значений (при испытании на выпрямленном напряжении) или при сопоставлении с расчетными значениями опытные данные умножаются на .

   Включение установки производится с помощью рубильника видимого разрыва QS1, автомата SF1 и контактора КМ. В цепи питания электромагнита контактора включены блок - контакты двери, ведущей на испытательное поле. Доступ к электродам, расположенным на испытательном поле, возможен только при полностью отключенной установке и наложении переносного заземлителя на вывод обмотки ВН трансформатора Т1.

  Электроды различной формы укрепляются на изолирующей конструкции. Резисторы R1, R2 ограничивают ток разряда, защищая трансформатор и выпрямитель от токовых перегрузок. В момент пробоя автоматический выключатель SF2 отключает установку. Пробивное напряжение фиксируетсявольтметром р V2. При выполнении измерений, при неизменном расстоянии между электродами опыт повторяется пять раз для определения среднего значения пробивного напряжения. Затем изменяется расстояние между электродами и опыт повторяется. Данные измерений пробивных напряжений заносят в таблицу 1.2.

1.4 Последовательность выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой установки, расположением ее элементов, порядком проведения работы, правилами безопасности при работе на установке.

2. Исследователь электрическую прочность воздушных промежутков при переменном напряжении промышленной частоты для промежутков:  а) плоскость-конус; б) сфера-сфера; в)стержень-стержень; г) стержень-плоскость.

3. Исследовать электрическую прочность воздушных промежутков сфера-сфера и плоскость-плоскость при переменном напряжении. Снять зависимость  для промежутка стержень-плоскость.

4. Рассчитать значения пробивных напряжений U _расч по формулам и построить графические зависимости для промежутков стержень-плоскость и сфера-сфера по опытным и расчетным данным. Определить средние арифметические значения средней пробивной напряженности электрического поля промежутка Е_{пр ср} и полученные результаты занести в таблицу 1.2. Определить среднюю квадратическую ошибку измерений σ и величину доверительного интервала измерений β для каждого исследуемого промежутка, пользуясь приложением 2.

Таблица 1.2

d, см	U пр , кВд					кВ/см	U расч, кВмакс	σ
	U1	U2	U3	U4	U5

 

5.Проанализировать зависимости  для промежутков различной формы. Сравнить опытные и расчетные данные.

1.5 Контрольные вопросы

1. В чем состоят особенности электрического разряда в неоднородных полях и чем они обусловлены?

2. Что означают понятия начального напряжения и напряжения полного разряда?

3. В чем состоит физический смысл уравнения самостоятельности разряда?

4. Почему электрическая прочность электроположительных и электроотрицательных газов различна? В каком случае она выше?

5. Почему электрическая прочность воздушных промежутков с резко неоднородным полем зависит от полярности электрода с малым радиусом кривизны?

6. Чем объяснить различие электрической прочности воздушных изоляционных промежутков при различных формах электродов?

 

Лабораторная работа № 2

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы

исследование электрической прочности воздуха при развитии разряда по поверхности диэлектрика в искровых промежутках с различной конфигурацией электрического поля.

2.2 Теоретические положения

      

       Широкое применение в электроустановках высокого напряжения изоляторов различных типов, работающих в газовой изоляционной среде, вызывает необходимость исследования электрической прочности газов с учетом влияния диэлектрических поверхностей. На электрическую прочность воздуха при поверхностном разряде оказывают влияние конфигурация электрического поля, длина межэлектродного промежутка, состояние поверхности диэлектрика, частота воздействующего напряжения.

     Характер разряда и разрядные напряжения по поверхности твердого диэлектрика в условиях неоднородного электрического поля в значительной степени определяются влиянием тангенциальной и нормальной составляющих напряженности электрического поля.

     Если преобладает тангенциальная составляющая напряженности электрического поля (рис.2.1 а-в), то разрядные напряжения по поверхности близки к пробивным напряжениям воздушных промежутков между аналогичными по форме электродами.

В случае значительной нормальной составляющей напряженности электрического поля (рис.2.1,г,д) разряд по поверхности имеет ряд особенностей.

 

 

d

а

d

в

d

г

Рис.2.1 Искровые промежутки для исследования перекрытия по поверхности твердого диэлектрика

d

д

б

d

 

 

    При относительно небольших напряжениях наблюдается корона у электродов. Рост напряжения сопровождается появлением слабо светящихся каналов (стримеров), которые при дальнейшем повышении напряжения преобразуются в скользящие разряды, характеризуемые интенсивным свечением. В скользящих разрядах протекает значительный ток, обусловленный процессом ионизации воздуха и зависящих от емкости канала скользящего разряда по отношению к противоположному электроду.

По Теплеру скользящий разряд, представляющий собой неполный поверхностный разряд, возникает при напряжении (кВ)

                                                                    (2.1)

где С_п - удельная поверхностная емкость, т.е. емкость 1 см² поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду, Ф/см².

При небольшой толщине диэлектрика удельная поверхностная емкость для случая плоского конденсатора (Ф/см²)

                        ,                                               (2.2)

где ∆ - толщина диэлектрика, см.

Отсюда формула (2.1) преобразуется к виду

                                                                       (2.3)

    Благодаря малым сопротивлению и падению напряжения на каналах скользящих разрядов потенциал электрода выносится вглубь промежутка, и развитие разряда облегчается.

    Дальнейшее повышение приложенного напряжения приводит к быстрому удлинению скользящих разрядов, и процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами. Напряжение поверхностного перекрытия всегда ниже напряжения пробоя воздушного промежутка того же размера.

    Приближенно разрядное напряжение по поверхности выражается так:

                                                                        (2.4)

где d – расстояние между электродами по поверхности, см; ∆ - толщина диэлектрика, см; ε- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; k, m, n – коэффициенты, зависящие от особенностей конструкции изоляционного промежутка и диапазона изменения расстояния d.

Увлажнение и загрязнение поверхности диэлектрика резко снижают величину разрядного напряжения.

В изоляционных конструкциях для повышения разрядного напряжения увеличивают разрядное расстояние по поверхности за счет юбок и ребер на изоляторе.

Экспериментальная установка

      Принципиальная схема экспериментальной установки и её описание приведены в разделе 1.3 методики выполнения лабораторной работы №1.

При выполнении экспериментов исследуется зависимость пробивного напряжения по поверхности диэлектриков (рис. 2.1), от межэлектродного расстояния и конфигурации электрического поля при воздействии напряжения промышленной частоты. Для каждого изоляционного промежутка величина пробивного напряжения определяется по данным пяти измерений с последующей их обработкой по правилам, изложенным в приложении 2. Измерение U_p осуществляется вольтметром, подключенным к измерительным выводам обмотки испытательного трансформатора. Показания вольтметра фиксируются в момент полного перекрытия изоляционного промежутка первым искровым каналом, после чего испытательный трансформатор отключается с пульта управления. Затем опыт повторяется.

     Для изменения расстояния между электродами необходимо отключить рубильником видимого разрыва испытательный трансформатор и наложить заземление на его высоковольтный вывод. Блок – контакты двери стенда обеспечивают снятие напряжения при открытой двери.