Определение длин уступов и их коррекция

Суммарные длины соответствующих уступов в верхней и нижней частях ввода будут зависеть от номера слоя k:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Длина первого уступа:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru . Длины остальных уступов сведены в

табл. 2.

Таблица 2.

Длины уступов.

Номер слоя, m
Длина уступа, λk, м 0.648 0.36 0.229 0.159 0.116 0.089 0.07

Найдем минимальную допустимую приведенную длину уступа у фланца:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru , где

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - допустимая аксиальная напряженность в масле.

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - наибольшее падение напряжение на слое.

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Так как длины меньше λminx не могут быть допущены, то выбираем новые значения уступов, представленные в табл.3.

Таблица 3.

Откорректированные длины уступов.

Номер слоя, m
Длина уступа, λ`k, м 0.61 0.35 0.23 0.16 0.112 0.105 0.105

Зависимость длины уступа lk от номера слоя k

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Рис. 4.

Определим длины обкладок с учетом новых длин уступов:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Для первого слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Остальные длины обкладок сведены в табл.4.

Таблица 4.

Длины обкладок с учетом новых длин уступов.

Номер слоя, m
Длина обкладок, h`k, м 1.659 1.309 1.079 0.919 0.807 0.702 0.597

Для сокращения размеров нижней масляной части ввода все ус­тупы в ней берутся одинаковыми и равными lн min. Уступы в верхней части определяются по формуле:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Для первого уступа:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Остальные длины уступов в верхней части сведены в табл. 5.

Таблица 5.

Длины уступов в верхней части.

Номер слоя, m
Длина уступа, λk, м 0.558 0.298 0.178 0.108 0.06 0.053 0.053

Определение емкостей слоев и напряженности в них

Емкость в k-ом слое определяется по формуле:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

где

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Для первого слоя емкость составит:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Напряжение, приходящееся на слой, будет определяться как:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Для первого слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Емкости слоев и падения напряжения на слоях представлены в табл. 6.

Таблица 6.

Емкости слоев и падение напряжения на слоях.

Номер слоя, m
Емкость слоя, Сk, нФ 0.987 1.043 1.076 1.101 1.129 1.123 2.091
Падение напряжения на слое, ΔUk, кВ 44.28 41.91 40.6 39.68 38.71 38.92 20.9

Максимальная и минимальная напряженности могут быть определены из следующих соотношений:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Для первого слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Остальные величины напряженностей слоев приведены в табл. 7.

Таблица 7.

Напряженности слоев.

Номер слоя, m
Максимальная напряженность, Ek max·106, В/м 8.773 7.941 7.493 7.198 6.936 6.91 7.17
Минимальная напряженность, Ek min·106, В/м 6.266 6.177 6.131 6.091 6.011 6.097 6.771


По полученным данным строим график распределения радиальных напряженностей по слоям, по оси абсцисс которого откладывается радиус слоя, а по оси ординат – значение напряженности, соответствующей этому радиусу.

График распределения радиальных напряженностей.

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Рис. 5.

Из расчета видно, что напряженность в каждом слое не превышает допустимое значение 18 кВ/мм, это говорит о том, что электрический расчет выполнен верно.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

При расчёте тепловой устойчивости проходного изолятора выяс­няется возможность развития теплового пробоя в проектируемой кон­струкции при заданном токе, проходящем по токоведущему стержню, и наибольшем допустимом напряжении.

Так как аксиальные размеры изолятора существенно больше ра­диальных, при проведении теплового расчёта принимают, что тепло­вое поле изолятора радиально, т.е. вся теплоотдача осуществляется только в радиальном направлении (рис. 3.1).

Схема для графического расчёта тепловой устойчивости

изолятора конденсаторного типа

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

1 – масло, 2 – фарфор.

Рис. 6.

Расчёт выполняется для установившегося теплового режима изо­ляции. Исходными данными при расчёте являются ток в стержне изо­лятора, температура окружающей среды и зависимость tgd от темпе­ратуры для применяемой изоляции.

Расчёт производится методом «шаг за шагом». Для проведения расчёта задаются рядом значений температуры стержня Тс1, Тс2, …, Тсn. Эти значения произвольны, но должны быть близки к возможной ис­комой температуре стержня Тс при данных условиях. Практически для изоляторов высокого напряжения удобно принять значения Тс рав­ными 40, 60, 80 и 100 °С.

Найдем тепловые сопротивления масляного зазора, фарфоровой покрышки, окружающей среды. Тепловое сопротивление масляного зазора:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

где Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - коэффициент теплопроводности масла.

Принимаем толщину зазора Δз = 20 мм, а толщину фарфоровой стенки изолятора – Δф = 40 мм, тогда:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Тепловое сопротивление фарфоровой покрышки:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Для расчёта теплоотдачи ввода в окружающую среду принима­ется коэффициент теплоотдачи с поверхности фарфора kтв = 20 Вт/(м2 ×°С), тогда:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определим полный тепловой поток изолятора и соответствующей ему температуры внешней поверхности изолятора. Найдем потери в токоведущем стержне:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru , где

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - температурный коэффициент сопротивления медного стержня;

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - удельное объемное сопротивление медного стержня;

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - активное сопротивление стержня;

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru - сечение стержня.

Для теплового расчета изолятора требуется значение tg δ в диапазоне температур от 40 до 100 оС. Для данного ввода применяется масло ГК и кабельная бумага КВМСУ 120. Произведем аппроксимацию зависимости

tg δ = f(T) зависимостью вида: tg δ = A·exp(B·T).

Определим тангенс угла диэлектрических потерь комбинированной изоляции.

Для бумажно-масляной изоляции tg δ и εr рассчитываются по формулам:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru ,

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru – соответственно толщина, относительная диэлектриче­ская проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь бумаги;

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru – соответственно толщина, относительная ди­электрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь масла.

Для бумаги и масла можно принять er1 = 4.5, er2 = 2.2.

Предполагая, что бумага пористая и все поры бумаги за­полнены пропитывающим составом, имеем:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

где gб, gк – плотность бумаги и клетчатки соответственно, dиз – пол­ная толщина изоляции.

При температуре 20°С тангенс угла диэлектрических потерь для бу­маги (индекс 1) и масла (индекс 2) равны соответственно Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru и Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru , тогда тангенс угла диэлектрических потерь комбинированного диэлектрика при 20°С будет равен:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

При температуре 90 °С тангенс угла ди­электрических потерь для бумаги и масла Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru , Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru . Тогда тангенс угла диэлектрических потерь комбинированного диэлектрика при 90°С будет равен:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определим er комбинированного диэлектрика:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru .

Аппроксимируем зависимость tgd = f(T) зависимостью вида tgd = A×exp(B×T). Зная значения tgd и T для двух точек зависимости можно определить коэффициенты A и B: Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru , Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru , тогда:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Исходя из полученных данных зависимость примет вид:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Ниже приведен график данной зависимости.

Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры.

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Рис. 7.

Исходными данными для теплового расчёта являются номиналь­ный ток

Iн = 800 А, температура окружающей среды T0 = 35°C, а также результаты электрического расчёта.

На первом шаге задаёмся температурой стержня изолятора Tc = 40 °C. Тогда электрические потери в стержне составят:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

1-й слой

Диэлектрические потери в изоляции первого слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

где , вместо 44,28 надо 10,4

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определим тепловое сопротивление первого слоя на единицу длины при коэффициенте теплопроводности бумажно-масляной изоляции, равном kб = 0.2 Вт/м·оС:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Перепад температуры в первом слое составит:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Найдем тепловой поток, проходящий через изоляцию первого слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Температура первой обкладки будет равна:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

2-й слой

Диэлектрические потери в изоляции второго слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

где

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определим тепловое сопротивление второго слоя на единицу длины при коэффициенте теплопроводности бумажно-масляной изоляции, равном kб = 0.2 Вт/м·оС:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Перепад температуры во втором слое составит:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Найдем тепловой поток, проходящий через изоляцию второго слоя:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Температура второй обкладки будет равна:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru .

Аналогично расчет ведется для остальных слоев изоляции.

Далее определяем полный тепловой поток Ри, проходящий через бумажно-масляную изоляцию и остальные элементы цилиндрической системы изо­лятора, а также температуру внешней поверхности изоляции Ти:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

По такой же методике «шаг за шагом» просчитываются анало­гичные параметры при Тс = 60, 80 и 100 °С. Результаты теплового рас­чета сведены в

табл. 8.

По полученным данным строится зависимость Ри = f(Ти), а затем зависимость количества тепла, отводимого в единицу времени от на­ружной поверхности бумажно-масляной изоляции в окружающую среду, от температуры наружной поверхности Ти. Эта зависимость оп­ределяется соотношением

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru ,

для температуры 40 °С:

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Pотв аналогично рассчитывается для Тс = 40, 60, 80 и 100 °С.

Полученные зависимости приведены на рис. 8.


Таблица 8.

Результаты теплового расчета..

№ слоя Тепловое сопротивление RТк Погонная емкость слоя, Ск·10-9 Ф/м     Температура слоя, Тк, 0С при Тс :   Перепад температуры в слоях, υк, 0С при Тс :   Диэлектрические потери слоя, Рдк, Вт/м при Тс :
0.268 0.542 33.766 53.281 72.782 92.246 6.234 6.719 7.218 7.736 1.015 1.343 1.777 2.352
0.2 0.726 28.998 48.116 67.197 86.232 4.768 5.165 5.584 6.032 1.116 1.467 1.927 2.532
0.16 0.909 25.093 43.863 62.571 81.197 3.905 4.252 4.626 5.034 1.227 1.604 2.095 2.734
0.133 1.093 21.754 40.208 58.57 76.812 3.339 3.655 4.001 4.385 1.333 1.734 2.253 2.924
0.114 1.275 18.813 36.973 55.008 72.881 2.941 3.235 3.562 3.931 1.413 1.83 2.367 3.055
0.1 1.458 16.162 34.042 51.763 69.277 2.65 2.93 3.245 3.604 1.568 2.022 2.602 3.342
0.045 3.193 14.93 32.676 50.246 67.585 1.232 1.366 1.518 1.692 0.954 1.225 1.57 2.007
Температура стержня, Тс, 0С Полный тепловой поток в изоляторе на единицу длины стержня, Ри, Вт/м Потери мощности в токоведущем стержне, Рс, Вт/м Температура внешней поверхности изолятора, Ти, 0С Отводимая мощность, Ротв, Вт/м
31.401 22.774 14.93 -30.206
35.647 24.422 32.676 -3.497
40.662 26.07 50.246 22.946
43.748 27.718 67.73 49.281

Зависимость полного теплового потока через изолятор и отводимой мощности от температуры наружной поверхности.

Определение длин уступов и их коррекция - student2.ru

Рис. 8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте произведён расчёт высоковольтного вода конденсаторного типа с бумажно-масляной изоляцией на номинальное напряжение 110 кВ и номинальный ток 800 А. Расчет проводился в два этапа.

Электрический расчет был произведен с учетом наименьшей неравномерности радиальной напряженности. В результате было рассчитано число слоёв изоляции равное 7, их толщина, а также емкость и падение напряжения на каждом слое, максимальные и минимальные напряженности слоев. Максимальная напряжённость составила 8.733 кВ/мм, что не превышает допустимую.

В ходе электрического расчета были получены следующие размеры: диаметр изоляционного остова – 108 мм, длина первой конденсаторной обкладки – 1.659 м. Также были определены длины уступов каждой обкладки. Так как несколько длин уступов получились меньше допустимой, то производилась их коррекция.

Диаметр токоведущего стержня 30 мм. Между фарфоровой покрышкой и изоляционным остовом предусмотрен масляный канал для обеспечения циркуляции масла, что приводит к лучшему охлаждению ввода. Предусмотрен вывод для измерения напряжения.

В ходе теплового расчета были определены тепловые сопротивления и емкости слоев изоляции, построена зависимость тангенса диэлектрических потерь от температуры, определено распределение температуры по слоям

В тепловом расчёте определялось выделяемое и отводимое тепло. В результате была построена зависимость тепловой устойчивости ввода и сделан вывод, что тепловой пробой маловероятен.

Библиографический список

1. Электрический и тепловой расчет высоковольтных вводов/ Г.А. Филиппов, М.Е. Тихов

2. Изоляция установок высокого напряжения: учеб. для вузов / Г.С.Кучинский, .Е. Кизиветер, Ю.С. Пинталь; под общ. ред. Г.С. Кучинского.– М.:Энергоатомиздат, 1987. –368 с.

3. Никулин Н.В., Шишорина Г.Д. Высоковольтные вводы и их ремонт: Учеб. для средних ПТУ. – 2-е изд., перераб. и доп.: - М.: Высш. Шк. – 1986. – 134с.

4. ГОСТ 1516.3-96 Электрооборудование переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции.

5. ГОСТ 10693-81 Вводы конденсаторные герметичные на номинальное напряжение 110 кВ и выше. Общие технические условия.

6. А.З. Славинский. Высоковольтные вводы: Расчет, конструирование и ремонт. – М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат», 2001.

Наши рекомендации