Молния – источник электромагнитных помех

Молния является наиболее мощным естественным источник электромагнитных возмущений. Основные параметры молнии: амплитуда тока, крутизна фронта, параметры грозовой активности и т.д.

Молния и связанные с ней электромагнитные поля обусловливают сильное влияние в месте удара и вблизи него. При разработке устройств внутренней молниезашиты учитывают максимальное значение и крутизну нарастания тока. В каждом конкретном случае могут быть рассчитаны электрические и магнитные поля, связанные с полным током молнии или токами в заземляющем устройстве, а также индуктированные ими токи и напряжения в цепях автоматизированной системы технологического управления электротехническим объектом. При этом необходимо учитывать такие факторы, как удаление от места удара молнии, конфигурацию приемной системы, характеристику зданий, заземляющих уст­ройств и др.

БИЛЕТ 2

1 вопрос . Каковы условия обеспечения высокой эффективности получения электрической энергии солнечным элементом

СЭ используется для получения электроэнергии.

Высокая эффективность получения энергии может быть обеспечена при выполнении следующих условий.

1. Ток 1с должен быть максимальным. Это может быть реализовано, если свести к минимуму потери фотонов при поглощении вблизи области потенциального барьера, снижении коэффициента отражения поверхности, уменьшении площади поверхности электрического контакта, повышении концентрации доноров и понижении концентрации центров рекомбинации.

2. Темновой ток /т должен быть минимальным (например, вследствие высокой концентрации доноров).

3. Сопротивление Rш должно быть как можно выше. Этого можно добиться путем тщательной обработки поверхностей фотоэлемента.

4. Сопротивление Rп должно быть малым. Это возможно при малых длинах пробега носителей к электрическим контактам и при использовании контактов и нагрузок с низким сопротивлением.

5. Для получения оптимальной мощности должно выполняться условие RвH= U/I.

2 вопрос

. Собственные нужды электростанций и их схемы

Собственные нужды электростанции, комплекс вспомогательного электрического оборудования электростанции, обеспечивающего бесперебойную работу её основных агрегатов (паровых котлов, турбогенераторов, ядерных реакторов или гидротурбин). В состав С. н. э. входят: силовая и осветительная электросети станции, аккумуляторные установки, аварийные источники электропитания, электродвигатели всех механизмов — насосов (водяных, нефтяных, масляных и т.д.), вентиляторов, а на наиболее распространённых тепловых электростанциях — также механизмов разгрузки железнодорожных вагонов, подачи топлива, угледробления и пылеприготовления.Электроприёмники С. н. э. подразделяют на группы в соответствии с требованиями бесперебойной работы. К группе наиболее ответственных (HO) относят электроприёмники, выход из строя которых приводит к нарушению нормального режима работы станции или к аварии. На ТЭС это — электродвигатели питательных насосов паровых котлов, на АЭС — системы управления и защиты реактора, механизмы расхолаживания реактора, на ГЭС — механизмы, обеспечивающие циркуляцию масла и воды в системах смазки и охлаждения, механизмы закрытия дроссельных затворов напорных трубопроводов. Организация работы HO электроприёмников предусматривает их надёжное резервирование,обеспечивающее высокую надёжность устройств С. н. э. Затраты электроэнергии на работу С. н. э. составляют (в % от общего кол-ва электроэнергии, вырабатываемой станцией) от 0,2 на ГЭС большой мощности до 12 на АЭС с. газовым теплоносителем.

Вопрос 3 . Диэлектрические характеристики атмосферного воздуха и других изоляционных материалов, применяемых во внешней изоляции

Электрическая прочность для сухого незапыленного воздуха составляет примерно 30 кВ/см, пропитанной лаком хлопчатобумажной ленты 40—50 кВ/см, электрокартона 80—100 кВ/см, фарфора 60—150 кВ/см, слюды 300—2000 кВ/см.

Напряженность электрического поля Е, которая допускается в изолирующем материале электротехнической установки в процессе эксплуатации, обычно в несколько раз ниже электрической прочности Eпр примененного диэлектрика. Следовательно, и пробивное напряжение изоляции в несколько раз больше номинального (рабочего) напряжения установки. Отношение пробивного напряжения к номинальному определяет запас прочности изоляции.

Поверхностное сопротивление диэлектрика определяется в основном состоянием его поверхности, степенью ее загрязнения и влажностью окружающей среды. При повышенной влажности на поверхности изоляционных материалов образуются тонкие пленки влаги, через которые проходят токи утечки. Особенно сильно понижается в этом случае сопротивление у гигроскопичных материалов (непропитанные ткани, ленты, бумага и др.). Смолы же и лаки негигроскопичны; и на их поверхности не так легко образуется пленка влаги. Поэтому гигроскопичные материалы пропитывают смолами и лаками.Фарфоровые изоляторы для повышения поверхностного сопротивления покрывают стекловидной глазурью. Без этого шероховатая поверхность фарфора легко бы загрязнялась и на ней образовывался бы слой пыли, через который проходили бы большие токи утечки. С гладкой поверхности изоляторов дожди смывают оседающую пыль, и они восстанавливают свое высокое поверхностное сопротивление.

диэлектрическая проницаемость характеризует степень поляризации диэлектрика, а следовательно, и влияние поля его поляризованных молекул на результирующую напряженность. Относительная диэлектрическая проницаемость пустоты (вакуума) принята за единицу. Для всех других веществ она больше единицы. Например, диэлектрическая проницаемость резины больше, чем вакуума, почти в 3 раза, фарфора — в 6 раз, слюды — в 4—8, стекла — в 7—8, а дистиллированной воды — в 80 раз. Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в какой-либо реальной среде (воздухе, фарфоре, стекле и пр.) по сравнению с вакуумом.

Угол диэлектрических потерь.

В идеальном диэлектрике (без потерь электрической энергии) переменный ток опережал бы напряжение на четверть периода, т. е. на угол 90°. В реальном диэлектрике этот ток из-за наличия потерь энергии опережает напряжение на несколько меньший угол. Разность между 90° и этим углом называется углом диэлектрических потерь и обозначается б. Чем больше потери энергии при прохождении переменного тока через диэлектрик, тем больше угол б.Обычно качество электроизоляционных материалов характеризуется не углом потерь, а тангенсом этого угла tg б. У изоляционных материалов, предназначенных для работы при высоких напряжениях и высокой частоте (трансформаторное масло, слюда, керамика и пр.), tg б составляет 0,01—0,0001. У материалов, применяемых в менее ответственных установках (картон, бумага, пластмасса), tg б составляет 0,1—0,01. При увлажнении изоляции tg б возрастает. Недопустимо большие диэлектрические потери в изоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленных из него изделий и могут привести к их тепловому разрушению.

Вопрос 4 Способы регулирования электрических полей в изоляционных конструкциях ВЛЭП и ОРУ

Целью регулирования электрического поля является повышение эффективности использования изоляции за счет повышения однородности электрического поля. Выравнивание электрического поля в теле изолятора и на его поверхности позволяет уменьшить габариты изоляционных конструкций. При этом на поверхности твердого диэлектрика не должна превышать на поверхности электродов в отсутствии твердого диэлектрика. Добиться этого можно выбором оптимальной конфигурации изолятора, применением системы экранов и другими приемами.

Для оптимизации конструкций изоляторов не только рассчитываются электростатистические поля и их искажение объемным зарядом, но и учитываются процессы, происходящие в объеме и на поверхности изоляторов, которые влияют на распределение поля. Анализ электрических полей для некоторых простейших конструкций можно осуществить аналитически. Поля в сложных конфигурациях моделируются в электрических ваннах или на полупроводящей бумаге. Поля сложной конфигурации рассчитываются численно на ЭВМ (методы интегральных уравнений, эквивалентных зарядов, сеток и др.) с обеспечением погрешности вычисления не более 5-10 %.

Для характеристики формы электрического поля в изоляционном промежутке используют коэффициент неоднородности .

При отсутствии специальных мер электрические поля в изоляционных конструкциях установок высокого напряжения получаются, как правило, резконеоднородным ( > 3,0). Изоляционные промежутки с такими полями обладают рядом существенных недостатков. Так в воздушных промежутках с > 3,0 при относительно низких напряжениях возникает коронный разряд, сопровождающийся значительными потерями энергии и мощными радиопомехами. Средние разрядные напряженности для таких промежутков при изоляционных расстояниях до 2 метров - примерно в 4-5 раз ниже, чем для промежутков со слабонеоднородными полями. При увеличении изоляционных расстояний свыше 2 метров средние разрядные напряженности постепенно снижаются еще больше.

Для внутренней изоляции практически любого типа с резконеоднородными электрическими полями характерны относительно низкие напряжения возникновения частичных разрядов и, следовательно, низкие длительная и кратковременная электрические прочности.

Выравнивание электрического поля во всех случаях дает повышение электрической прочности промежутков и позволяет сократить изоляционные расстояния в конструкции. Например, толщина d внутренней изоляции во многих случаях определяется из условия , Следовательно, выравнивание электрического поля дает уменьшение толщины внутренней изоляции пропорционально .Таким образом, с помощью регулирования электрических полей решаются задачи снижения потерь на корону и уровня радиопомех, а так же уменьшение изоляционных расстояний во внешней и внутренней изоляции. Тем самым решаются задачи создания экономически целесообразных высоковольтных конструкций. Оптимальная степень выравнивания поля должна определяться в каждом конкретном случае на основе анализа технико-экономических показателей всех возможных вариантов исполнения установки в целом. Опыт разработки изоляционных конструкции свидетельствует о том, что с увеличением экономическая эффективность различных средств регулирования электрических полей резко возрастает. Для сверх- и ультравысоких конструкций без эффективного регулирования полей, как правило, технически неосуществимы.

Способы регулирования:

Подбор радиусов кривизны поверхностей электродов.

Профилирование поверхности электродов.

Секционирование изоляционных конструкций.

Проводящие и полупроводящие покрытия.

Градирование изоляции.

Распределение напряжения между электродами с помощью дополнительных конденсаторов.

Диэлектрические покрытия электродов.

Ограничение размеров областей повышенных Е, обусловленных шероховатостью поверхностей электродов.

Комбинирование изоляционных материалов.

Расщепленные провода и экраны.

Подбор радиусов кривизны поверхностей электродов

При приближении к участку поверхности электрода с малым радиусом кривизны имеет место резкое возрастание напряженности Е.

Таким образом, для уменьшения в промежутке при неизменном изоляционном расстоянии необходимо увеличивать радиусы кривизны поверхностей электродов. В этом и состоит суть данного метода регулирования поля.

5 вопрос. Импульсные испытательные напряжения. Схемы генераторов импульсных высоких напряжений (ГИН).

В процессе эксплуатации аппаратов высокого напряжения (АВН) они, кроме воздействия переменных или высоких постоянных напряжений, подвержены влиянию импульсных ВН. Последние возникают при коммутациях оборудования (коммутационные перенапряжения) или при воздействии ударов молний (грозовые перенапряжения). Амплитуда импульсных ВН во много раз превышает номинальное напряжение, при котором работают АВН и называются перенапряжениями. Для обеспечения надежности работы АВН в условиях реальной эксплуатации оборудование должно пройти испытания на устойчивость к этим видам перенапряжений. Испытания АВН проводятся в специальных высоковольтных лабораториях и залах, оснащенных установками (генераторами) импульсных напряжений, которые генерируют грозовые и коммутационные импульсы. По своей природе как грозовые, так и коммутационные импульсы имеют различную форму, амплитуду и длительность. Для воспроизведения результатов опытов в различных лабораториях и сопоставления их с реальными импульсными перенапряжениями были введены стандартные характеристики импульсов. Импульсы, которыми испытывается АВН, называют испытательными импульсами.

При испытании объектов с емкостной характеристикой (выключатели, разъединители, вводы, трансформаторы тока, конденсаторы и т.д.) апериодическим коммутационным импульсом напряжения рекомендуется использовать ГИН, а при испытании приложением колебательного импульса напряжения -применять схемы на основе испытательного трансформатора (каскада трансформаторов).

При испытании трансформаторов индуктированным колебательным импульсом напряжения рекомендуется применять схемы, основанные на принципе разряда конденсаторной батареи на обмотку низшего напряжения испытуемого трансформатора.

Схема одноступенчатого ГИН

При напряжениях менее 100 кВ применяются одноступенчатые схемы, показанные на рис.3.6. Накопительный конденсатор C1 медленно, за время более 5 с, заряжается от источника постоянного напряжения до напряжения U0 и затем через коммутатор SF разряжается на емкость нагрузки С2. Сопротивления R2 (разрядное сопротивление), и (фронтовые сопротивления) служат для получения требуемой формы импульса.

Одноступенчатые схемы рис.3.6. при напряжениях более 250  300 кВ становятся неприемлемыми, так как затраты на создание источника высокого зарядного напряжения оказываются чрезмерно большими, а значительные размеры элементов не позволяют изготовить генератор компактным.

Для получения компактных генераторов используют схемы умножения напряжения. Однорядные и двухрядные схемы ГИН приведены на рис.3.10 и 3.11.

Кроме того, максимальное рабочее напряжение современных импульсных конденсаторов не превышает 400 кВ (см. табл.П4.1 П4.3).

Основной принцип работы многоступенчатых ГИН с умножением напряжения состоит в том, что накопительные конденсаторы , заряжаются параллельно до напряжения U0, а в момент коммутации соединяются последовательно. Суммарное напряжений на таком сборном конденсаторе С1 увеличивается в n раз, где n – число накопительных конденсаторов.

Время зарядки отдельных конденсаторов многоступенчатых ГИН несколько отличаются друг от друга, поскольку в цепях зарядки стоит разное число зарядных сопротивлений Rз1. Для снижения различий времен зарядки в первой ступени обычно ставится зарядное сопротивление Rз0 >> Rз1. При таком выборе зарядных сопротивлений постоянная времени всех конденсаторов практически будет равна зар = Rз0 . Время заряда определяется по графикам рис.3.7 и обычно выбирается равным 10  30 с.

На рис.3.12 представлена схема двух первых каскадов ГИН 120/2400 (120 кДж, 2400 кВ) серии G фирмы High Volt. Поперечный разрез и внешний вид этого ГИН показан на рис.3.13 и 3.14. На рис 3.15 – ГИН ВЭИ. В качестве коммутатора в первой ступени выбран управляемый шаровой разрядник (тригатрон). Запуск генератора осуществляется подачей на тригатрон поджигающего импульса от запускающего генератора (ЗГ). Управляющий сигнал на запускающий генератор подается по оптоволоконным линиям связи (ОВС) с пульта управления. По ОВС на пульт поступает информация через конденсатор связи (КС) с импульсного детектора (ИД) и с аварийного детектора (АД). После зарядки накопительных конденсаторов , устанавливаются следующие напряжения. В точках 1, 2 U1 = U2 = U0 = 100 кВ. В точках 3  6 U3 = U4 = U5 = U6 = 0. В точках 7, 8 U7 = U8 = -U0 = -100 кВ. После коммутации и пробоя разрядного промежутка тригатрона потенциал точки 7 становится равным потенциалу точки 1, т.е. U1 = U7 = 100 кВ. Поскольку конденсатор заряжен до напряжения U0 и U4 больше на 100 кВ, чем U7 напряжение в точках 4 и 5 становится равным 200 кВ. Для сглаживания переходных процессов при коммутации разрядников между точками 4 и 5 ставятся демпфирующие сопротивления rД, которые одновременно являются составляющими фронтового сопротивления . Потенциал в точке 2 на 100 кВ больше чем в точке 5 и становится равным 300 кВ. На шаровом разряднике второй ступени (между точками 2 и 8) возникает разность потенциалов в 300 кВ, вследствие чего он пробивается и в точке 8 потенциал также становится 300 кВ. Поскольку в точке 6 потенциал на 100 кВ больше чем в точке 8 (конденсатор заряжен), то он становится равным 400 кВ. Процесс продолжается до пробоя всех шаровых разрядников ступеней и соединения всех конденсаторов ГИН последовательно. Суммарная ёмкость всех накопительных конденсаторов , образует ёмкость С1 схемы рис.3.6. Обычно в ГИН выбираются одинаковые по ёмкости накопительные конденсаторы, так что .

БИЛЕТ 3