ĆWICZENIE 6 PRÓBY NAPIĘCIOWE ELEKTROENERGETYCZNYCH IZOLATORÓW WYSOKIEGO NAPIĘCIA

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 6 PRÓBY NAPIĘCIOWE ELEKTROENERGETYCZNYCH IZOLATORÓW WYSOKIEGO NAPIĘCIA 6.1. WPROWADZENIE Izolatory wysokiego napięcia izolują przewody linii elektroenergetycznych, szyny rozdzielni, zaciski aparatów, transformatorów itp. od elementów wsporczych i konstrukcji połączonych z ziemią lub posiadających inny potencjał. Ze względu na miejsce zainstalowania izolatory można podzielić na liniowe, stacyjne i aparatowe, przy czym zależnie od warunków w jakich pracują, mogą one być izolatorami napowietrznymi lub wnętrzowymi. Inny podział izolatorów wynika z ich funkcji w urządzeniach elektroenergetycznych, w grupie izolatorów liniowych wyróżnia się izolatory wiszące (pniowe i kołpakowe) i stojące (pniowe i deltowe), natomiast w grupach stacyjnych i aparatowych izolatory wsporcze, przepustowe oraz osłony izolacyjne. Biorąc pod uwagę niektóre cechy konstrukcyjne wszystkie izolatory można podzielić na przebijalne i nieprzebijalne. Za przebijalne uznaje się takie izolatory, w których droga przebicia przez stały materiał izolacyjny jest mniejsza niż połowa drogi przeskoku w powietrzu. Przykłady konstrukcji typowych izolatorów wysokiego napięcia pokazano na rys.6.1 i 6.2. Rys Konstrukcje izolatorów liniowych wg [4]: a - stojący deltowy typu LDS, b - stojący pniowy typu LSP, c - wiszący długopniowy z kołpakami uchowymi, d - wiszący kołpakowy typu LK, e - wiszący pniowy typu LP. Części: 1 - głowa, 2 - żłobek szyjki, 3 - pień, 4 - klosz, 5 - wnęka, 6 - trzon, 7 - kołnierz trzonka, 8 - spoiwo, 9 - kołpak, 10 - zawleczka zabezpieczająca, 11 - trzonek, 12 - szyjka trzonka, 13 - główka trzonka, 14 - żebro, 15 - łącznik dwugłówkowy. Wymiary: h - skok izolatora wiszącego, d - średnica klosza, s - wysięg klosza, m - podziałka kloszowa

2 Rys Konstrukcje izolatorów wsporczych wg [5]: a - stacyjny wnętrzowy typu SW4/10, b - aparatowy wnętrzowy typu SWP4w/20, c - aparatowy napowietrzny 110 kv, 1 - izolator, 2 - okucie górne (kołpak), 3 - okucie dolne (stopa), 4, 5 - podkładki, 6 - kit siarkowy W czasie eksploatacji izolatory są narażone na działanie różnych czynników zewnętrznych: elektrycznych, mechanicznych, cieplnych i środowiskowych. Dla izolatorów formułuje się więc określone wymagania techniczne, których spełnienie gwarantuje ich niezawodną pracę w warunkach eksploatacyjnych. Zgodność właściwości technicznych izolatorów ze stawianymi im wymaganiami sprawdza się przeprowadzając odpowiednie badania. Zarówno wymagania techniczne jak i sposób przeprowadzenia badań są ściśle zdefiniowane w normach przedmiotowych. Z uwagi na temat ćwiczenia w dalszej części przedstawiono bliżej wymagania i badania tylko elektrycznych właściwości izolatorów. W warunkach roboczych w sieciach trójfazowych o napięciu znamionowym U n na izolator działa napięcie zbliżone dou n 3, zaś w stanach awaryjnych sieci (np. uziemienie jednej fazy przy izolowanym punkcie zerowym) na izolator może działać przez dłuższy czas napięcie zbliżone do międzyprzewodowego U n. Napięcia robocze mogą być nawet o 20% wyższe od napięcia znamionowego sieci. Oprócz tego na izolatory mogą działać krótkotrwałe przepięcia o wartościach szczytowych znacznie większych niż napięcie robocze sieci. Źródłem przepięć może być sama sieć elektroenergetyczna bądź wyładowania atmosferyczne. Przepięcia wewnętrzne nie są zbyt groźne dla izolatorów, gdyż na ogół nie przekraczają kilkakrotnej wartości napięcia znamionowego sieci. Przepięcia atmosferyczne natomiast mogą być znacznie większe, zatem zagrożenie izolatorów w warunkach udarowych jest bardzo duże. Dostosowanie wytrzymałości elektrycznej izolatorów do wymienionych powyżej narażeń elektrycznych, bez odpowiednich środków ochrony, byłoby zbyt kosztowne lub nawet niemożliwe. Poprzestaje się więc na takiej izolacji, która wytrzymuje większość przepięć wewnętrznych bez przeskoków i przebić, zaś w przypadku przepięć atmosferycznych napięcie obniżone do poziomu chronionego przez zastosowane w sieci środki ochrony przeciwprzepięciowej, formułując dla izolatorów odpowiednie wymagania elektryczne. Wymaga się, aby izolatory wytrzymywały: długotrwale w warunkach eksploatacyjnych określone napięcie znamionowe, którego wartość przyjmuje się równą najwyższemu dopuszczalnemu napięciu roboczemu U m sieci 2

3 elektroenergetycznej (jest ono na ogół większe o ok. 20% od napięcia znamionowego sieci - tablica 1 wiadomości ogólne), w ściśle określonych warunkach prób znamionowe napięcie probiercze przemienne U pr, wyższe od napięcia znamionowego, którego wartość przyjmuje się zgodnie z wymaganiami normy [3] zestawionymi w tablicy 1 (wiadomości ogólne), w ściśle określonych warunkach prób znamionowe napięcie probiercze udarowe piorunowe U pp, którego wartość przyjmuje się zgodnie z wymaganiami normy [3] zestawionymi w tablicy 1 (wiadomości ogólne). W przypadku izolatorów przebijalnych zaleca się dodatkowo, aby ich napięcia przebicia spełniały następujące warunki: izolatory liniowe [4] izolatory wsporcze ceramiczne [5] U pb 1,5 U ps (6.1) U pb 1,5 U pr (6.2) izolatory wsporcze wnętrzowe z tworzyw organicznych [6] U pbu 1,3 U pp (6.3) w których: U pb - napięcie przebicia przy napięciu przemiennym, U pbu - napięcie przebicia przy napięciu udarowym, U ps - napięcie przeskoku przy napięciu przemiennym na sucho. Izolatory wysokonapięciowe nie mogą być źródłem zakłóceń radioelektrycznych, które są skutkiem wyładowań niezupełnych rozwijających się w układzie izolacyjnym. Wymaga się więc, aby napięcie zakłóceń o częstotliwości 0,5 MHz nie przekraczało poziomu 0,5 mv przy napięciu probierczym równym U m 3 [4, 5] lub napięcie gaśnięcia wyładowań niezupełnych było co najmniej równe 1,1 U m 3 [6]. W celach informacyjnych wyznacza się napięcia przeskoku po powierzchni izolatora przy napięciu przemiennym na sucho (izolatory wnętrzowe) lub na mokro (izolatory napowietrzne) oraz przy napięciu udarowym piorunowym na sucho (wszystkie izolatory). Wartości napięć przeskoku izolatorów można zmierzyć zgodnie z metodyką badań podaną w p. 1 wiadomości ogólnych lub obliczyć stosując następujące wzory empiryczne: napięcie przeskoku U ps (wartość skuteczna) przy napięciu przemiennym na sucho U ps = 3,35 a + 20 [kv] (6.4) przy czym wzór (6.4) jest słuszny dla odstępów między elektrodami a > 10 cm i dla normalnych warunków atmosferycznych, napięcie przeskoku U pm (wartość skuteczna) przy napięciu przemiennym na mokro U pm = 1,1 M + 3,9 S [kv] (6.5) w którym M jest sumą mokrych odcinków drogi przeskoku, a S sumą odcinków suchych w cm (określonych zgodnie z rys. 6.3) 10% napięcie przeskoku U p0 (wartość szczytowa) przy udarach piorunowych dodatnich U p0 = 5,1 a + 20 [kv] (6.6) ujemnych U p0 = 6,95 a + 25 [kv] (6.7) 3

4 przy czym wzory (6.6) i (6.7) są słuszne dla odstępów międzyelektrodowych a w zakresie 20 cm < a < 200 cm i normalnych warunków atmosferycznych. M S 45 0 Rys Sposób określenia długości dróg suchych S i mokrych M wzdłuż drogi. przeskoku po powierzchni izolatora Aby stwierdzić, czy wymagania elektryczne stawiane izolatorom są spełnione, przeprowadza się próby niepełne lub bardziej wszechstronne próby pełne. Badania niepełne wykonywane przez producenta na wszystkich wyprodukowanych sztukach służą do wykrycia izolatorów mających wady materiałowe lub wykonawcze. W tych próbach sprawdza się tylko podstawowe parametry techniczne z uwagi na konieczność ograniczenia kosztu badań. Badania pełne przeprowadza się na sztukach z pierwszej serii produkcyjnej nowego typu izolatorów, po wprowadzeniu zmian konstrukcyjnych, jak również dla okresowej kontroli produkcji. Zasadniczymi próbami elektrycznymi przeprowadzanymi w zakresie badań pełnych są próby znamionowym napięciem probierczym przemiennym i udarowym, pomiary napięć przebicia oraz poziomu zakłóceń radioelektrycznych. Niekiedy wykonuje się również pomiary napięć przeskoku. Izolatory wsporcze oraz stojące pniowe montuje się do badań napięciowych na metalowej uziemionej podstawie umieszczonej poziomo na wysokości 1 m nad ziemią. Szerokość podstawy nie może być mniejsza od średnicy stopy izolatora, a długość musi być równa co najmniej 2-krotnej jego wysokości. Do kołpaka izolatora wsporczego lub szyjki głowy izolatora pniowego mocuje się prostopadle do osi podstawy metalową rurę o średnicy co najmniej 13 mm i długości równej co najmniej 4-krotnej wysokości izolatora. Izolatory stojące deltowe montuje się na końcu pionowej metalowej rury o średnicy co najmniej 16 mm, tak aby dolna krawędź izolatora znajdowała się na wysokości co najmniej 2 m nad ziemią. Do szyjki izolatora mocuje się poziomą rurę o wymiarach jak w przypadku izolatorów wsporczych. Badania napięciem przemiennym 50 Hz wykonuje się na sucho (izolatory wnętrzowe) lub pod sztucznym deszczem (izolatory napowietrzne). Badania napięciem udarowym wykonuje się zawsze na sucho, przykładając do izolacji udary piorunowe pełne PRZEBIEG ĆWICZENIA Należy wyznaczyć parametry elektryczne wysokonapięciowych izolatorów trzech typów wskazanych przez prowadzącego ćwiczenie: sprawdzić wytrzymałość elektryczną, zmierzyć i obliczyć napięcia przeskoku w różnych warunkach, zmierzyć napięcie przebicia. Wymienione próby należy przeprowadzić zgodnie z metodyką badań izolacji przedstawioną bliżej w wiadomościach ogólnych p. 1. 4

5 Przygotowanie stanowiska probierczego Schemat ogólny obwodu probierczego 50 Hz do prób napięciowych izolatorów wysokiego napięcia pokazano na rys W celu przygotowania stanowiska do prób należy: zamontować badany izolator na polu probierczym, zoscylografować i zmierzyć kształt krzywej napięcia przemiennego, wyznaczyć warunki atmosferyczne (temperatura, ciśnienie. wilgotność powietrza) w laboratorium oraz poprawki uwzględniające ich wpływ na wyniki pomiarów napięcia (patrz wiadomości ogólne p. 2), zmierzyć metodą techniczną rezystywność wody stosowanej do wytworzenia sztucznego deszczu. W TR S A TP R 220V~ V C OB M Rys Obwód probierczy 50 Hz do prób napięciowych izolatorów: S - stycznik załączający, TP - transformator probierczy, R - rezystor tłumiący, C - kondensator wysokonapięciowy, M - miernik napięcia, Ob - obiekt badany Sprawdzanie wytrzymałości elektrycznej izolatorów Sprawdzenie wytrzymałości elektrycznej izolatorów należy przeprowadzić wykonując próby napięciem probierczym przemiennym 50 Hz oraz udarowym piorunowym, wartości napięć probierczych dobrać z tablicy 1 (wiadomości ogólne) uwzględniając poprawki na warunki atmosferyczne. W czasie próby napięciem przemiennym obserwować obiekt, zwracać uwagę na odgłosy dochodzące z pola oraz kontrolować wskazania przyrządu mierzącego prąd zasilania transformatora probierczego. Wynik próby należy uznać za dodatni, jeżeli nie nastąpił przeskok lub przebicie izolacji. Wynik próby napięciem probierczym udarowym należy uznać za dodatni, jeżeli w czasie próby nie nastąpiło przebicie izolatora, a liczba przeskoków jest nie większa niż 2. Na powierzchni izolatora mogą występować ślady wyładowań, a nawet odłamania spoiwa użytego do montażu okuć. Wyniki sprawdzenia wytrzymałości elektrycznej izolatorów podać w tablicy 6.1. Tab1ica 6.1 Wyniki sprawdzenia wytrzymałości elektrycznej izolatorów Napięcie Napięcie probiercze Typ znamionow e przemienne udarowe piorunowe izolatora kv kv wynik kv liczba przeskoków wynik 5

6 Wyznaczenie napięcia przeskoku izolatorów Należy zmierzyć napięcie przeskoku badanych izolatorów przy napięciu przemiennym (izolatory napowietrzne badać na sucho i na mokro) oraz 10% napięcie przeskoku przy napięciu udarowym piorunowym obu biegunowości. Wyniki pomiarów przeliczyć na normalne warunki atmosferyczne i opracować statystycznie. Obliczyć za pomocą wzorów empirycznych ( ) napięcia przeskoku izolatorów i otrzymane wartości porównać ze zmierzonymi. Wyniki zestawić w tablicach 6.2 i 6.3. Tab1ica 6.2 Wyniki pomiarów i obliczeń napięcia przeskoku U p izolatorów przy napięciu przemiennym Typ Pomiary Obliczeni a izolatora U pd U pn U pn s u U p U p Uwagi kv kv kv kv kv kv Tablica 6.3 Wyniki pomiarów i obliczeń 10% napięcia przeskoku U p0 izolatorów przy napięciu udarowym Typ Pomiary Obliczeni a izolatora U ud N U p0d U p0n k u U p0 Uwagi kv - kv kv - kv Oznaczenia w tablicach: d - indeks oznaczający wartość napięcia w warunkach atmosferycznych w czasie badań, n - indeks oznaczający wartość napięcia w warunkach normalnych, U - wartość średnia napięcia, U p - 95% przedział ufności wartości średniej napięcia przeskoku, s u - odchylenie standardowe, U ud - wartość szczytowa serii udarów napięciowych, N - liczba przeskoków w serii udarów, k u - współczynnik udarowy izolatora równy U 2 U p0 n pn Wyznaczenie doraźnego napięcia przebicia izolatora przy napięciu przemiennym 50 Hz Badany izolator zanurzyć całkowicie w zbiorniku z olejem izolacyjnym, przy czym pod kloszami izolatora nie powinny powstać pęcherze powietrzne. Napięcie probiercze przemienne doprowadzić do okuć izolatora (obwód na rys. 6.4) i podwyższać ze stałą prędkością aż do wystąpienia przebicia izolacji. Następnie dokonać oględzin izolacji, ewentualnie przeprowadzić próbę napięciową na sucho w celu wykrycia miejsca przebicia. Pomiar wykonać na jednym egzemplarzu izolatora. 6

7 6.3. OCENA WYNIKÓW I WNIOSKI Ocenić wyniki prób napięciowych badanych izolatorów wysokiego napięcia stwierdzając czy spełniają wymagania elektryczne norm przedmiotowych. Porównać pomierzone i obliczone wartości napięć przeskoku, uzasadnić ewentualne różnice. Jaki wpływ na wyniki pomiarów mają warunki wykonywania badań, sposób zamontowania izolatora i podnoszenia napięcia oraz warunki atmosferyczne? Obliczyć zmniejszenie wytrzymałości elektrycznej izolatorów napowietrznych w wyniku opadów atmosferycznych PYTANIA KONTROLNE 1. Omówić podział izolatorów ze względu na ich funkcję, konstrukcję i warunki pracy. 2. Przedstawić konstrukcję zasadniczych typów izolatorów liniowych i wsporczych. 3. Jakie narażenia elektryczne działają na izolację linii elektroenergetycznej? 4. Omówić wpływ opadów atmosferycznych na wytrzymałość elektryczną izolatorów. 5. Przedstawić wymagania elektryczne stawiane izolatorom wysokiego napięcia. 6. Podać definicję napięcia probierczego izolatora. 7. W jaki sposób sprawdza się wytrzymałość elektryczną izolatora przy napięciu przemiennym i udarowym? 8. Padać sposób pomiaru napięcia przeskoku izolatora. 9. Dlaczego pomiary napięcia przebicia wykonuje się w oleju izolacyjnym? 10. Podać definicję współczynnika udaru i omówić jego znaczenie. LITERATURA 1. Szpor S.: Wytrzymałość elektryczna i technika izolacyjna. Warszawa, PWN PN-92/E-04060*. Wysokonapięciowa technika probiercza 3. PN-81/E-05001*. Znamionowe napięcia probiercze izolacji 4. PN-90/E-06308*. Izolatory liniowe 5. PN-90/E-06322*. Izolatory wsporcze ceramiczne 6. PN-90/E-06340*. Izolatory wsporcze wnętrzowe z tworzyw organicznych *Dane aktualne w chwili druku. Sprawdzić aktualność norm przed stosowaniem. 7