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; Rзащ – защитное сопротивление; Rз – зарядные сопротивления; С – конденсаторы; rд – демпфирующие сопротивления; Р1, Р2 – шаровые разрядники; Р – разделительный шаровой разрядник; rф – фронтовое сопротивление; Сф – фронтовая емкость; Rхв – разрядное хвостовое сопротивление; ИО – испытываемый объект.

 

Конденсаторы С заряжаются через резисторы с большими сопротивлениями – защитное Rзащ и зарядные Rз, причем Rзащ >> Rз, 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 Р1.

После пробоя разрядника Р1 точка 3 быстро приобретает потенциал U0, соединяясь через искровой промежуток и небольшое сопротивление rд 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 rд. Они предназначены для демпфирования колебаний, которые могут возникнуть в ступенях при пробое разрядников и зарядке емкостей элементов ГИН относительно земли.

Фронтовое сопротивление rф, фронтовая емкость Сф и разрядное хвостовое сопротивление Rхв 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 rф, а сопротивление

.

Емкость С2 представляет собой сумму емкости объекта испытаний Сно и Сф

.

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