книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Рис. 5.5. С тандартны й (-----------------) и срезанный (---------------) грозовой импульсы

вблизи амплитуды или на спадающей части, должно измеряться с погрешностью, не превышающей 3%. Измерение временных параметров, определяющих форму импульса, разрешается про­ водить с погрешностью не более 10%, за исключением измерения длительности спада во время среза.

Запись импульса высокого напряжения и измерение его амплитуды производится обычно с помощью электронного осциллографа (РО), присоединенного к делителю напряжения (ДН) через измерительный кабель (ИК). Для измерения только амплитуды импульсного напряжения используется шаровой измерительный разрядник, включенный вместо ДН, или им­ пульсный вольтметр, присоединенный через ДН. Принципиаль­ ная схема установки для испытания импульсами высокого напряжения приведена на рис. 5.6.

В генераторе импульсов G в заданный момент времени на емкости генератора CG возникает заряд при высоком напряже­ нии. Разрядник Fx пробивается, и на испытуемый объект ИО

через фронтовое сопротивление	и проводник ВП попадает
высокое напряжение. После зарядки	конденсатора Сф разрядни-

Рис. 5.6. С хема установки для испытания импульсами высокого напряжения

51

ки Ft размыкаются и конденсатор Сф разряжается через разрядное сопротивление Rp. Фронтовая емкость Сф состоит полностью или частично из емкости испытуемого объекта.

Через подводящий провод /777 напряжение подводится к делителю напряжения, который состоит из элементов Z x и Z 2. Если измерительный кабель ИК имеет большую длину, то он должен рассматриваться как линия с распределенными парамет­ рами с волновым сопротивлением ZK. Кроме того, в схеме имеются согласующие Z 3 и демпфирующее Яд сопротивления.

Фронт и длительность импульса можно оценить по при­ ближенным соотношениям:

тф«2,7/?фСф; ти«0,69Сф/*р.

Емкость генератора должна более чем в 10 раз превышать емкость Сф.

При измерениях возникают две проблемы. Первая заключа­ ется в передаче с минимальным, поддающимся оценке ис­ кажением входного сигнала (измеряемого напряжения) к от­ клоняющим пластинам осциллографа или импульсному вольт­ метру. Вторая проблема связана с влиянием параметров ГИН, испытуемого объекта и измерительной цепи на значение и форму испытательного напряжения. Эти искажения и влияния усиливаются с увеличением напряжения и уменьшением дли­ тельности импульсов.

Делители напряжения могут состоять из чисто активных сопротивлений, только из емкостей и из комплексных со­ противлений, составленных из емкостей и параллельно под­ ключенных активных сопротивлений. Элементы делителей должны иметь минимальную индуктивность. Делители высо­ кого напряжения имеют большие размеры и взаимное элек­ тромагнитное влияние отдельных элементов, поэтому раз­ работка делителей и измерительных цепей, не искажающих измеряемые импульсы, представляет сложную задачу, более подробное изложение которой приведено в [28].

Принципиальная схема ГИН показана на рис. 5.7. Регулиру-

~Э

Рис. 5.7. Принципиальная схема генератора импульсов высокого напряжения

52

емое переменное напряжение преобразуется с помощью вы­ прямителя и через сопротивление R конденсаторы С заряжа­ ются до заданного напряжения. Разрядное напряжение раз­ рядников Fu F2, F3, F4 несколько выше напряжения на конденсаторах. С помощью специального поджигающего эле­ ктрода разрядник Fi пробивается, что приводит к последу­ ющему пробою всех разрядников. В этот момент конденсаторы С оказываются соединенными последовательно и напряжение на них суммируется и подается на испытуемый объект ИО.

Демпфирующие сопротивления R2 предотвращают возник­ новение колебательных процессов, а также участвуют в форми­ ровании фронта импульса.

Емкость последовательно соединенных конденсаторов С со­ ставляет емкость ГИН «в ударе» Сс. Энергия волны им­

пульсного	генератора	равна CGU ZI2, кВт с. Необходимо
соблюдать	отношение	CG^10CX, где Сх— емкость ИО.

Непосредственно перед испытаниями ГИН должен быть отградуирован при положительной полярности следующим образом. Оба конца испытуемого кабеля через концевые муфты (обычно длина кабеля 5 м) присоединяют к импульсному гене­ ратору, измерительные шары и делители напряжения остаются присоединенными к ГИН на все время испытаний. Градуировка должна быть проведена по крайней мере для трех расстояний между измерительными шарами, выбираемых таким образом, чтобы разрядные напряжения были примерно равны 50, 65 и 80% требуемого уровня импульсной прочности испытуемого кабеля. Для каждой установки шарового разрядника зарядное напряжение ГИН устанавливают таким образом, чтобы 50% импульсов вызывали разряды на измерительных шарах. При градуировке осциллографируют форму волны импульса. По­ лученная зависимость между амплитудой импульсов и заряд­ ным напряжением ГИН должна быть прямолинейной. Экс­ траполируя эту зависимость, находят значение зарядного напряжения для получения импульсов с требуемым максималь­ ным напряжением. Далее выполняют программу испытаний, предусмотренную требованиями МЭК и стандартов.

5.4. УСТАНОВКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Рассмотрим устройство некоторых установок для испытания высоким напряжением, применяемых в научно-исследовательс­ ких лабораториях.

Установки для испытания напряжением промышленной частоты имеют набор трансформаторов высокого напряжения мощностью 300 кВ • А, позволяющих получить максимальное напряжение 150, 200 и ЗООкВ для испытания одной фазы кабеля, и трехфазный трансформатор для одновременного

53

испытания трех фаз кабеля. Они включены по принципиальной схеме рис. 5.2. Первичная сторона трансформаторов имеет несколько обмоток с различными схемами соединения для' получения необходимых диапазонов регулировки напряжения.

Измерение амплитуды напряжения производят по принципи­ альной схеме рис. 5.4. Вместо конденсатора высокого напряже­ ния используют емкость между вводом высокого напряжения в трансформатор и экраном этого ввода (проходной конден­ сатор). Бак трансформатора изолирован от заземления для получения возможности подключения в схемы измерения тангенса угла диэлектрических .потерь. Для этой же цели вторичные обмотки трансформаторов экранированы.

Установка имеет однофазные и трехфазные регуляторы напряжения мощностью 150 и 300 кВ-А. Регулировку напряже­ ния осуществляют с помощью подвижной короткозамкнутой катушки, которая влияет на распределение магнитных потоков в магнитопроводе регулятора. Питание установки осуществ­ ляют от сети 380 В.

Установка для испытания напряжением промышленной частоты до 2250 кВ мощностью 4500 кВ • А (высоковольтная лаборатория ВНИИКП) имеет три трансформатора высокого напряжения 750 кВ мощностью 1500 кВ А (первичная обмотка трансформаторов рассчитана на напряжение 6 кВ), регулятор напряжения с передвижной короткозамкнутой катушкой мощ­ ностью 750 кВ - А. Измерение напряжения производят с по­ мощью емкостного делителя напряжения по схеме рис. 5.4. Делитель содержит шесть конденсаторов емкостью по 1200 пФ, напряжением 375 кВ, соединенных последовательно в одной колонне. В нижней части колонна имеет блок из трех параллельных емкостей по 0,075 мкФ. Действующее значение напряжения на этом блоке измеряют с помощью эле­ ктростатического вольтметра. Имеется также амплитудный вольтметр.

Схема соединения трансформаторов показана на рис. 5.8. Реакторы L имеют по три вывода на мощности 500, 1000 и 1500 квар. Все реакторы подсоединены к обмоткам трансфор­ матора одинаково и расположены на корпусе трансформаторов. Суммарная мощность трех реакторов не должна отличаться от реактивной мощности, потребляемой исследуемым кабелем, более чем на 750 кВ-А.

Резонансная установка на напряжение промышленной час­ тоты 400 кВ мощностью 5000 кВ • А содержит реактор из двух блоков с плавно регулируемой индуктивностью. Каждый блок

имеет мощность 2500 кВ • А и рассчитан					на наибольшее на­
пряжение	200 кВ.	При	параллельном	и	последовательном
включении	реакторов можно получить			мощность 5000 кВ • А
и напряжение 200		или	400 кВ.

54

71	Тг	Т з

Рис. 5.8. Схема включения трансф орм аторов в установке на		переменное
напряжение 2250 кВ:
/ — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка;	3— часть вторичной	обмотки для
подключения реакторов;	4— изоляторы

Схема установки показана на рис. 5.9. С помощью пере­ ключателя S можно получить напряжение 6, 12, 20 и 40 кВ, подаваемое на реактор L. Трансформатор Т2 на первичной обмотке имеет напряжение 380 В и мощность 285 кВ • А. Плавная регулировка напряжения осуществляется с помощью трансформатора Тг. Напряжение на исследуемом объекте Сх измеряют с помощью емкостного делителя. Ток в обмотке реактора контролируют с помощью измерительного трансфор­ матора тока и амперметра.

Плавная регулировка индуктивности реактора L для по­ лучения последовательного резонанса с Сх осуществляется изменением воздушного зазора в магнитопроводе реактора. Резонанс определяют по максимальному напряжению при регулировке индуктивности и максимальному току в реакторах. При параллельном соединении реакторов необходимо их

Рис. 5.9. Схема резонансной	Рис. 5.10.	Схема испытания высоким напря-
установки высокого напряжения	жением с	одновременным нагреванием жилы

55

настраивать так, чтобы токи в каждом реакторе были одинаковыми.

Установка для испытания импульсами с амплитудой 1200 кВ имеет мощность 50 кВт • с. На выходе можно получить напряже­ ние 1050 кВ с параметрами импульсов 1,5/40 и 150/2000 мкс. Максимальная частота следования импульсов 5 за время 1 мин. Емкость в ударе составляет 72 нФ. Зарядное напряжение ступени 300 кВ, количество ступеней— четыре (см. рис. 5.7). Каждая ступень имеет четыре конденсатора емкостью 72 нФ. Потребляе­ мая мощность 25 кВт, питание от сети 380 В. Выпрймление напряжения осуществляется с помощью селеновых выпрямите­ лей. Полярность импульса меняют с помощью выпрямителей.

В состав установки входят: ГИН, зарядное устройство блока питания и регулирования напряжения, ЛС-делитель напряжения, омический делитель напряжения, осциллограф, блок питания и синхронизации, шаровой разрядник.

Устройство зажигания подает импульс напряжением 13 кВ на вспомогательный электрод, расположенный у первого разрядника (см. рис. 5.7). Для получения импульсов со срезанной формой у измерительного шарового разрядника, подключенного к объекту испытаний, имеется вспомогательный электрод. В необходимый момент времени на этот электрод подается зажигающий импульс, который вызывает пробой всего шарового разрядника, и происхо­ дит замыкание объекта испытания, т. е. срезание импульса. Время

срезания управляется блоком			синхронизации.		отличается
Импульсная	установка	на	напряжение 7200 кВ
тем, что имеет	24 зарядные		ступени	напряжением	по 300 кВ.
Максимальное	напряжение	6500 кВ,		мощность 620 кВт • с,		ем­
кость в ударе	24 нФ.
Установка постоянного напряжения имеет максимальное
напряжение ±2200 кВ при		максимальном токе 200 мА.				Она

построена на симметричной двойной схеме умножения напряже­ ния, при этом два вывода высокого напряжения имеют положительное и отрицательное напряжение относительно заземления.

В комплект установки входят: повышающий трансформатор, каскадный выпрямитель, защитное сопротивление (25 кОм, 200 мА, 2200 кВ) для ограничения тока короткого замыкания, двигатель-генератор.

Двигатель-генератор вырабатывает регулируемое перемен­

ное напряжение с частотой		200 Гц, которое		подается на
повышающий	трансформатор	с	вторичным	напряжением
2 х 142 кВ. На	первичной стороне		трансформатора включена

индуктивность с ответвлениями для компенсации емкостных токов в каскадном выпрямителе. Этот выпрямитель в каскаде содержит последовательно соединенные конденсаторы емко­ стью 0,02 мкФ, рассчитанные на напряжение 400 кВ.

56

Измерение напряжения производят с помощью делителя напряжения с общим сопротивлением 2980 МОм. Имеется разрядная система, которая механическим способом закорачи­ вает конденсаторы через сопротивления. Изменение полярности производят переключением кремниевых выпрямителей.

Двигатель-генератор вращается с помощью асинхронного двигателя мощностью 770кВ*А при напряжении 6 кВ. Для его запуска имеется специальный пусковой трансформатор.

Возбуждение		генератора		осуществляют		при напряжении до
250 В	и токе	до	15 А.	Напряжение	установки регулируют
путем	изменения параметров возбуждения.
Для исследования стабильности и старения изоляции в усло­
виях,	максимально		приближающихся		к	эксплуатационным,

в лаборатории или на стенде монтируют короткую (несколько десятков метров) кабельную линию, включающую концевые, соединительные и стопорные муфты, и в течение длительного времени (от одного месяца до трех лет) подвергают ее воздействию повышенного напряжения и тока нагрузки. Обыч­ но таким испытаниям подвергают кабели новых конструкций при применении новых материалов и новой технологии.

Простейшая схема испытания кабелей высоким напряжением с одновременным нагреванием жилы приведена на рис. 5.10. Напряжение на жилу подают через концевую муфту от установки высокого напряжения. Жилы кабеля замыкают накоротко (через амперметр Р). Ток в жиле возбуждают с помощью нагревного трансформатора, через окно сердечника которого проходит один или несколько витков испытываемого кабеля. Питание первичной обмотки трансформатора осуществ­ ляют от сети 380 или 220 В. Электродвижущая сила, наводимая в короткозамкнутой петле кабеля, составляет несколько вольт.

Мощность нагревного трансформатора определяется током нагрузки кабеля и индуктивностью L короткозамкнутой петли кабеля ( Р = / 2ю£). Соответствующим образом должен быть рассчитан сердечник этого трансформатора.

Если вторичную обмотку отдельного нагревательного транс­ форматора подключить к двум концам жилы кабеля, то эта обмотка должна быть изолирована на полное испытательное напряжение кабеля.

В процессе таких испытаний ток нагрузки / изменяют по определенной программе. Кратковременные перегрузки череду­ ют с отключением тока. При испытаниях измеряют тем­ пературу на оболочке кабеля Тм с помощью специально установленных термоэлектродов. Если оболочка кабеля разом­ кнута, то температура жилы может быть рассчитана по формуле (в стационарном режиме)

7’, = rc6+ (/2* , + t/2a>Ctg8/2)S1„

57

где Rx— электрическое активное сопротивление жилы при рабочей температуре жилы, Ом/м; U— переменное напряжение на жиле кабеля, В; © = 2rcf=314c-1 ; С— емкость кабеля, Ф/м;

tg5— тангенс	угла диэлектрических			потерь	в изоляции;	5ИЗ—
термическое	сопротивление		изоляции:
		Sm= ^ \ n R l r 0;
здесь <тиз— удельное термическое				сопротивление изоляции,
°См/Вт (для		бумажной	пропитанной		изоляции	сгиз=
= 5,5° С-м/Вт);		го— радиус	жилы;	R — радиус изоляции.
При изменяющемся токе нагрузки производится расчет для
нестационарного		теплового	режима	[16].

Макет кабельной линии испытывают длительно при напряже­ нии, примерно в 1,5 раза превышающем номинальное напряжение.

Г ЛАВА ШЕСТАЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При повышенной напряженности электрического поля в от­ дельных элементах изоляции могут происходить разряды (пробой), которые не приводят к полному пробою электро­ изоляционной конструкции. Такие разряды получили название частичных разрядов (ЧР). Они развиваются главным образом в газовых включениях в диэлектрике, но могут присутствовать и в жидких прослойках (в масле).

Появление ЧР в газовых включениях приводит к возраста­ нию потерь энергии в диэлектрике и увеличению его tg8. В стандартах предусматриваются испытания по определению Atg5 при повышении напряжения от половины номинального до испытательного значения. Однако оценка AtgS с ростом напряжения дает лишь грубое представление об интенсивности ЧР. Для более точных оценок используют специальные методы.

6.2. МЕТОДЫ ОЦЕНОК ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Наибольшее распространение получили методы регистрации электрических импульсов при ЧР. Для исследовательских целей применяют также метод оптических вспышек. Устройство такого прибора показано на рис. 6.1. В исследуемом диэлек­ трике 1 искусственно формируется ячейка с газовым включе­ нием 2. Снизу установлен электрод 3, сверху— стеклянная

58

Рис. 6.1. Устройство прибора для ре­ гистрации частичных разрядов мето­ дом фотовспышек

пластинка 4, на которую заливают раствор соли в воде 5. Этот раствор является верхним электродом. Над верхним электродом устанавливается фотоэлектрический умножитель ФЭУ, после которого сигналы от вспышек, вызванных ЧР, поступают на регистрирующий прибор Р (счетчик импульсов). Развитие ионизации и характер разрушений можно наблюдать также визуально с помощью микроскопа. Возможно исследова­

ние	ЧР в различных	газовых	средах.
В	электрической	изоляции	готовых изделий ЧР регист­

рируют электрическими методами. Схема, иллюстрирующая этот метод, показана на рис. 6.2. В момент, когда при повышенной напряженности электрического поля возникает ударная ионизация и пробой газового включения С3, проис­ ходит замыкание С3 на время порядка 10~ 7 с. При этом суммарная емкость возрастает на АСх. При переменном напряжении при смене полярности электродов в последующий полупериод происходит новая вспышка ионизации. Обычно

число импульсов	в секунду п пропорционально частоте
/ (n=4kf; к= 1,	2, 3...).

При изменении емкости образца Сх на АСх при напряжении на образце U происходит изменение заряда AQx на образце

AQX=UACX. (6.1)

Величину AQX называют кажущимся зарядом единичного ЧР. Если последовательно с Сх включен резистор, то изменение

УТ

У/У7УЛ7/7/777777}

Ч

'////)/У//^///////7,

Рис. 6.2. Схема диэлектрика с газовым включением

59

в) i

Рис. 6.3. Схемы приборов для исследования ЧР электрическим методом

емкости на АСх приведет к возникновению импульса напряже­

ния на Сх\	(6.2)
AU ,=AQ XI C = U A C J C X.

После большого усиления этот импульс может быть измерен регистрирующим прибором Р.

Поскольку сигнал имеет форму кратковременного импульса, то спектр электромагнитных колебаний, из которых он суммиру­ ется, находится в пределах 20—2000 кГц. Для точного измерения заряда или тока необходимо равномерное усиление и регистра­ ция в этой широкой области частот. При наличии сильных помех или необходимости только регистрации наличия ЧР используют узкополосное усиление (резонансные усилители) и регистрацию.

Средний ток ЧР	(6.3)
I= AQ xn.

Иногда используют также понятие мощности Р ЧР (пропор­ циональна AU l ) и суммарного заряда Q за время испытаний t.

Схемы приборов для исследования ЧР при последователь­ ном, параллельном и балансном соединениях показаны соот­

ветственно на	рис. 6.3, а— в.
В качестве	измерительного сопротивления ZH применяется

резистор или настроенный контур. Допускается применение индуктивности или фильтра более сложной конструкции.

60