Изучение генератора импульсных напряжений, исследование на модели защиты подстанций от прямых ударов молнии

Цель работы: изучение схемы и конструкции генератора импульсных напряжений, а также исследование защитного действия молниеотводов, устанавливаемых на открытых распределительных устройствах.

Теоретические сведения о генераторе

импульсных напряжений

Генератор импульсных напряжений (ГИН) предназначен для испытаний изоляционных конструкций импульсными высокими напряжениями, имитирующими грозовые перенапряжения. Впервые схема многоступенчатого ГИН была предложена проф. В.К. Аркадьевым в 1914 году (рис.6.1).

Рис. 6.1. Принципиальная схема трехступенчатого ГИН:

Т – высоковольтный испытательный трансформатор; В – выпрямитель; R_защ – защитное сопротивление; R_з – зарядные сопротивления; С – конденсаторы; r_д – демпфирующие сопротивления; Р₁, Р₂ – шаровые разрядники; Р – разделительный шаровой разрядник; r_ф – фронтовое сопротивление; С_ф – фронтовая емкость; R_хв – разрядное хвостовое сопротивление; ИО – испытываемый объект.

Конденсаторы С заряжаются через резисторы с большими сопротивлениями – защитное R_защ и зарядные R_з, причем R_защ >> R_з, чем обеспечивается практически одновременная зарядка конденсаторов до одинакового напряжения. К моменту окончания процесса зарядки потенциалы точек 1,3,5 равны нулю, а потенциалы точек 2,4,6 – зарядному напряжению U₀. Расстояния между электродами разрядников Р₁ и Р₂ устанавливаются такими, чтобы при напряжении U₀ пробивался только разрядник первой ступени Р₁ после подачи на него пускового импульса или самоходом. Остальные разрядники пробиваются под действием перенапряжений, возникающих после срабатывания разрядника Р_1.

После пробоя разрядника Р₁ точка 3 быстро приобретает потенциал U₀, соединяясь через искровой промежуток и небольшое сопротивление r_д с точкой 2. Точка 4 практически мгновенно приобретает потенциал 2 U₀ (потенциал точки 3, сложенный с напряжением U₀, до которого заряжен конденсатор С, включенный между точками 3 и 4). Потенциал точки 5 остается практически равным нулю. Таким образом, напряжение на разряднике Р₂ быстро возрастает от U₀ до 2U₀, и этот разрядник пробивается. После этого точка 5 получает потенциал 2U₀, а точка 6 - 3U₀. В результате пробоев – разрядников в ступенях генератора все его конденсаторы оказываются соединенными последовательно. Напряжения их складываются. Суммарное напряжение, приложенное к последнему искровому разряднику Р, вызывает его пробой, после чего начинается процесс разряда емкостей С.

В каждой ступени ГИН последовательно с разрядниками включены небольшие по величине демпферные сопротивления r_д. Они предназначены для демпфирования колебаний, которые могут возникнуть в ступенях при пробое разрядников и зарядке емкостей элементов ГИН относительно земли.

Фронтовое сопротивление r_ф, фронтовая емкость С_ф и разрядное хвостовое сопротивление R_хв служат для формирования требуемого импульса напряжения на испытуемом объекте ИО, который фиксируется с помощью электронного осциллографа.

Процесс формирования импульса напряжения на выходе ГИН можно представить, рассмотрев упрощенную схему замещения разрядной цепи, представленную на рис. 6.2.

Емкость С₁ – емкость всех n последовательно соединенных конденсаторов С схемы рис. 6.2:

Рис. 6.2. Схема замещения разрядной цепи ГИН

Эту емкость называют «емкость в ударе ГИН». Она заряжена до напряжения . Срабатывание всех разрядников ГИН имитируется замыканием ключа К. Сопротивление приближенно равно сумме демпферных сопротивлений:

Сопротивление приближенно равно фронтовому сопротивлению r_ф, а сопротивление

.

Емкость С₂ представляет собой сумму емкости объекта испытаний С_но и С_ф

.

После замыкания ключа К возникает переходной процесс. Напряжение фаз емкости имеет форму апериодического импульса, у которого происходит нарастание напряжения от нуля до максимума, а затем его плавное уменьшение (рис. 8.3). Форма испытательных грозовых импульсов нормируется ГОСТ 1516.2-76. Она характеризуется длительностью фронта и длительностью импульса . Длительность фронта определяется как интервал времени между точками пересечения прямой, проведенной через точки 0.3 и 0.9 , с осью абсцисс (условная точка начала импульса ) и вертикальной прямой, проведенной через (рис. 6.3).

Длительность импульса определяется как время от условного начала импульса до момента уменьшения напряжения до 0.5 .

Стандартный грозовой импульс имеет =1.2±0.36 мкс, =50±10 мкс и обозначается 1.2/50. Кроме полных импульсов, для испытания изоляции используют срезанные импульсы, отличающиеся тем, что спустя 2-5 мкс от ус-

Рис. 6.3. Испытательный грозовой импульс

ловного начала импульса специальным устройством организуется более быстрый спад (срез) напряжения на испытуемом объекте.

Теоретические сведения о защите оборудования

подстанций от прямых ударов молнии

Прямые удары молнии (ПУМ) в токоведущие части распределительных устройств (РУ) электростанций или подстанций вызывают тяжелые аварии, связанные с повреждение изоляции из-за большой величины возникающих перенапряжений. Поэтому открытые РУ должны быть защищены от ПУМ. Обычно защита от ПУМ осуществляется с помощью стержневых молниеотводов, которые выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем. Металлический стержневой молниеотвод или опора одновременно выполняют функции токоотвода. Если молниеприемник молниеотвода расположен на изолирующих опорах (дымовые трубы, деревянные опоры), то по ним прокладывается проводник, соединяющий стержень с заземлителем.

Защитное действие молниеотводов основано на явлении избирательной поражаемости молнией высоких объектов. Высота над поверхностью земли, при которой лидер молнии начинает ориентироваться по направлению к наиболее высокому наземному объекту, называется высотой ориентировки молнии (Н). Если головка лидера на высоте ориентировки находится в точке, расположенной над молниеотводом, то разряд поразит молниеотвод. По мере удаления точки ориентировки от молниеотвода повышается вероятность удара молнии в землю. Если вблизи молниеотвода поместить более низкий по высоте защищаемый объект, то при определенном расстоянии между молниеотводом и объектом разрядное напряжение промежутка лидер молнии – объект будет больше разрядных напряжений промежутков лидер-молниеотвод и лидер-земля.

Зоной защиты принято называть определенное пространство вокруг молниеотвода, в котором удары молнии в объект, полностью расположенный в этом пространстве, маловероятны. Поскольку разрядные напряжения длинных воздушных промежутков имеют значительные статистические разбросы, молниеотводы обеспечивают защиту объекта лишь с некоторой, но достаточно высокой степенью надежности (до 0,999).

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода изображена на

рис. 6.4.

Рис. 6.4. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

- высота защищаемого объекта; - радиус зоны защиты на высоте ; - полная высота молниеотвода; - активная высота молниеотвода.

В проектной практике радиус зоны защиты на высоте защищаемого объекта при высоте молниеотвода 30 м определяется по формуле:

(6.1)

Территории подстанций защищаются обычно несколькими стержневыми молниеотводами. Зона защиты при этом рассчитывается с учетом взаимного влияния молниеотводов.

Описание установки

Испытательная установка состоит из ГИН, стержня, имитирующего, какая молния, заземленной плоскости, моделей стержневых молниеотводов и защищаемых объектов (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Схема испытательной установки:

ГИН – генератор импульсных напряжений; - фронтовое сопротивление; - фронтовая емкость; ИШ – измерительный шаровой разрядник; Л – лидер молнии; М – молниеотвод; ЗО – защищаемый объект.

Проведение эксперимента

Изучить устройство ГИН, представленного в лаборатории. Для заданных преподавателем величин и по формуле (6.1) рассчитать допустимое расстояние от молниеотвода до защищаемого объекта . В соответствии с рис. 8.5 установить молниеотвод на расстояние и провести испытание защитного действия молниеотвода 15-20 разрядами ГИН. Увеличить расстояние между 30 и М⁰ до и провести новое испытание защитного действия молниеотвода 15-20 разрядами ГИН (величина задается преподавателем).

Обработка результатов

По результатам опытов находят значения вероятностей поражений объекта, как отношение числа поражений объекта к числу разрядов в данном опыте.

Оформление отчета

В отчете должна быть указана цель работы, приведены схемы ГИН (рис. 6.1), стандартный испытательный импульс (рис. 6.3), схема испытательной установки (рис.6.5) и результаты опытов.

Контрольные вопросы

1. Каковы параметры полного грозового испытательного импульса напряжения?

2. Каково назначение сопротивлений , включаемых последовательно с искровыми промежутками ГИН?

3. Чем обусловлена правильная последовательность пробоя разрядников ГИН?

4. Что такое «зона защиты» молниеотвода?

6. Что называется активной высотой молниеотвода?

Литература

Техника высоких напряжений /Под ред. Д.В. Разевига. М.: Энергия, 1976, гл.14

Лабораторные работы по технике высоких напряжений: Учебное пособие для вузов /М.А. Аронов, В.В. Базуткин, П.В. Борисоглебский и др. М.: Энергоиздат, 1982, гл.II.

Лабораторная работа 7