Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине «И золяция электротехнического оборудования высокого напряжения и основы ее проектирования»
Скачать 392.68 Kb.
|
1 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ __________________________________ Казанский государственный энергетический университетТ.В. Лопухова, Р.Н. Хизбуллин ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗОЛЯЦИОННЫХ |
| | Лопухова Т.В., Хизбуллин Р.Н |
| Л 77 | Проектирование изоляционных конструкций ЛЭП и подстанций: Метод. пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Изоляция электротехнического оборудования высокого напряжения и основы ее проектирования» Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. – 32 с. |
| | Методическое пособие предназначено для студентов специальности 071600 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника», изучающих курс «Изоляция электротехнического оборудования высокого напряжения и основы ее проектирования». |
| | УДК 621.315 ББК 31.2 |
| | | Лопухова Т.В., Хизбуллин Р.Н, 2006 |
| | | Казанский государственный энергетический университет, 2008 |
Цель курсового проекта – освоить методы выбора и расчета внешней и внутренней изоляции высоковольтного оборудования линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций.
Курсовой проект состоит из двух разделов: изоляция ЛЭП и внешняя изоляция распределительных устройств (РУ) подстанций; внутренняя изоляция элементов высоковольтного оборудования.
Содержание курсового проекта:
Раздел 1. Изоляция ЛЭП и внешняя изоляция РУ подстанций.
1.1. Выбор числа изоляторов в поддерживающих гирляндах ЛЭП или ОРУ.
1.2. Расчет максимальной напряженности электрического поля на проводах ЛЭП или шинах подстанции.
1.3. Расчет потерь на корону на подходящей ЛЭП и ошиновке подстанции.
1.4. Радиопомехи.
Раздел 2. Внутренняя изоляция элементов высоковольтного оборудования.
2.1. Электрический и тепловой расчет кабеля.
2.2. Расчет проходных изоляторов (вводов).
РАЗДЕЛ 1. Изоляция ЛЭП и внешняя изоляция РУ подстанций
Линии электропередачи монтируются на металлических и железобетонных, деревянных и смешанного типа опорах. В отношении изоляционных характеристик металлические и железобетонные опоры вполне равноценны, поэтому в дальнейшем под металлическими опорами будут подразумеваться также железобетонные. Линии СВН (330 кВ и выше) строятся почти исключительно на металлических опорах. Для линий 110 кВ и выше также широко применяется дерево.
Удельное сопротивление грунта г, зависящее от структуры грунта, подвержено сезонным колебаниям. Наибольшее влияние на величину г оказывает влажность. Количество содержащей в почве влаги определяется в основном количеством выпавших осадков и процессами высушивания почвы. При нагревании почвы ее удельное сопротивление падает.
Вдоль трассы линии электропередачи встречаются самые разнообразные грунты, которые при проектировании заземляющего устройства удобно подразделить на несколько групп с общим для каждой группы средним значением удельного сопротивления.
Внешняя изоляция воздушных линий электропередачи состоит из ряда чисто воздушных промежутков между проводами разных фаз и заземляющими конструкциями, а также воздушных промежутков вдоль поверхностей изоляторов, на которых крепятся провода.
На воздушной линии в настоящее время применяются фарфоровые и стеклянные изоляторы нескольких типов. В последние годы большое внимание уделяется разработке траверс из изоляционных материалов, применение которых позволит уменьшить габариты и стоимость опор воздушных линий электропередачи.
Грозовые перенапряжения на линии электропередачи возникают как при непосредственных поражениях линии грозовыми разрядами (перенапряжения прямого удара молнии), так и при разрядах молнии в землю в окрестности линии (индуктирующие перенапряжения). Перенапряжения прямого удара молнии представляют наибольшую опасность, и молниезащита линий должна ориентироваться именно на этот вид перенапряжения. В задачу молниезащиты линий входит снижение до минимума числа грозовых отключений. Линии высшего номинального напряжения выполняются наиболее грозоупорными.
При гололеде возможно возникновение пляски проводов и тросов. Существуют пассивные и активные мероприятия для борьбы с пляской проводов и тросов. К пассивным мероприятиям относятся:
соответствующий выбор расстояний между проводами и тросами, который либо исключает, либо снижает до минимума схлёстывание проводов и тросов;
устройство узлов крепления проводов и тросов к опорам и отдельных элементов линейной арматуры, обеспечивающих необходимую шарнирность в вертикальной и горизонтальной плоскостях при перемещении проводов и тросов во время пляски;
укрепление шлейфов на анкерных опорах, препятствующее их приближению к траверсам опор при пляске проводов.
К активным мероприятиям относятся:
устранение или предотвращение гололёда на проводах и тросах путём плавки или предупредительного нагрева проводов электрическим током;
применение механических устройств, ограничивающих возможность пляски, включая демпфирующие устройства;
применение аэродинамических способов и устройств, препятствующих возникновению пляски или резко ограничивающих амплитуду колебания проводов и тросов.
В настоящее время для борьбы с пляской проводов на ВЛ с одиночными проводами рекомендуются плоские аэродинамические пластмассовые обтекатели, разработанные ВНИИЭ, закрепляемые на отдельных участках провода в пролёте, длиной около 1/3 длины пролёта;
Изоляторы представляют собой конструкции, которые используются для крепления токоведущих и других находящихся под напряжением частей электротехнических устройств, а также для перемещения подвижных контактов выключателей и иных коммутационных аппаратов.
В соответствии с выполняемыми функциями изоляторы должны, прежде всего, обладать достаточной механической прочностью по отношению ко всем видам возможных эксплуатационных нагрузок: статическим, ударным и др. Особенность этого очевидного требования применительно к изоляторам установок высокого напряжения состоит в том, что механическая прочность должна обеспечиваться при воздействии сильных электрических полей. В таких условиях местные, небольшие повреждения, не влияющие на общую механическую прочность, могут иногда вызывать существенное снижение пробивного напряжения и приводить к преждевременному выходу изолятора из строя.
В наиболее сложных условиях находится внешняя изоляция изоляторов наружной установки, поверхности которых могут загрязняться и увлажняться дождем или другими мокрыми осадками. Чтобы обеспечить высокие значения разрядных напряжений при относительно небольших габаритах, изоляторы наружной установки выполняют с сильно развитыми поверхностями, т.е. с ребрами или юбками. Число, форма и размеры ребер или юбок – конструктивные основные параметры изоляторов, от которых зависят их эксплуатационные характеристики.
Ребра и юбки увеличивают полную длину утечки по поверхности, от которой наиболее сильно зависит разрядное напряжение при дожде и загрязнениях. Кроме того, при некоторых видах мокрых осадков нижние поверхности ребер и юбок смачиваются в меньшей степени, и это значительно увеличивает полное сопротивление утечки. При правильно выбранных размерах и форме ребра разряд, развивающийся вдоль изолятора, отрывается от его поверхности. В этом случае участки вдоль поверхности изолятора чередуются с чисто воздушными промежутками и разное напряжение оказывается более высоким. Однако с увеличением числа и размеров ребер растет не только полная длина утечки по поверхности, но и эквивалентный диаметр Dэ, что отрицательно влияет на разрядное напряжение.
От формы изолятора в сильной степени зависит интенсивность его загрязнения в условиях эксплуатации. Дело в том, что отложение загрязнений происходит при ветре и их количество на единицу площади прямо пропорционально градиенту скорости потока воздуха у поверхности. При усложнении формы изолятора около него могут возникать завихрения в потоке воздуха и, соответственно, может возрастать интенсивность загрязнения. Кроме того, форма изолятора влияет на эффективность самоочистки поверхностей при дожде и ветре. При выборе формы изоляторов учитывают все эти соображения, а также требования, связанные с удобством массового производства.
Линейные изоляторы применяются для крепления проводов воздушных линий электропередачи, делятся по всей конструкции на штыревые, подобные опорным штыревым, и подвесные. Последние в свою очередь подразделяются на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.
Линейные изоляторы испытывают механические нагрузки, которые создаются тяжением проводов и зависят от сечения проводов и длин пролетов между опорами, от температуры проводов, силы ветра и других факторов. Для штыревых линейных изоляторов эти нагрузки являются главным образом изгибающими. Подвесные изоляторы благодаря шарнирному креплению подвергаются только растягивающим усилиям.
На линиях 35 кВ и выше применяются преимущественно подвесные изоляторы тарельчатого типа. Путем последовательного соединения таких изоляторов можно получить гирлянды на любое номинальное напряжение. Применение на линиях разного класса напряжения гирлянд из изоляторов одного и того же типа значительно упрощает организацию их массового производства и эксплуатацию.
Как уже отмечалось, из-за шарнирного соединения изоляторы в гирлянде работают только на растяжение. Однако сами изоляторы сконструированы так, что внешнее растягивающее усилие вызывает в изоляционном теле в основном напряжения сжатия и среза. Тем самым используется весьма высокая прочность фарфора и стекла на сжатие.
Основу изолятора составляет фарфоровое или стеклянное тело – тарелка, средняя часть которой, вытянутая кверху, называется головкой. На головке крепится шапка из ковкого чугуна, а в гнездо, расположенное внутри головки, заделывается стальной стержень. Армировка изолятора, т.е. механическое соединение изоляционного тела с металлической арматурой, выполняется при помощи цемента.
Соединение изоляторов в гирлянду осуществляется путем введения утолщенной головки стержня в специальное ушко на шапке другого изолятора и закрепления его замком. Длина стержня делается минимальной, но достаточной для удобной сборки гирлянды.
Механическую нагрузку несут в основном головка изолятора и, прежде всего, ее боковые опорные части. Поэтому конструкции тарельчатых изоляторов различаются, в первую очередь, формой головки. При приложении к изолятору с конической головкой растягивающей нагрузки, направленной вдоль оси изолятора, цементное тело конической формы, расположенное в гнезде головки, работает как клин, стремящийся расширить головку изолятора. Внешняя поверхность головки также образует клин, который сжимается при вдавливании в цементную прослойку – между шапкой и головкой. В результате стекло в боковых стенках головки испытывает в основном напряжение сжатия.
В связи с тем, что коэффициенты температурного расширения стекла, цемента и арматуры приблизительно одинаковы, в стеклянных изоляторах отсутствует битумная промазка.
Недостатком подвесных изоляторов являются относительно большие размеры шапки, что неблагоприятно сказывается на разрядных характеристиках гирлянд. Помимо этого, так называемая обратная конусность головки не позволяет изготовлять изоляторы высокопроизводительным методом штамповки.
Важное достоинство изоляторов тарельчатого типа состоит в том, что при повреждении изоляционного тела, например, в случае пробоя под шапкой, механическая прочность изолятора в гирлянде не приводит к падению провода на землю.
Проверка механической прочности тарельчатых изоляторов проводится при плавном увеличении механической нагрузки и одновременном воздействии напряжения, составляющего 70-80 % сухоразрядного. При этом механические повреждения изоляционного тела под шапкой обнаруживаются по электрическому пробою. Величина механической нагрузки, повреждающей изолятор при таком испытании, называется электромеханической прочностью изолятора. Эта характеристика указывается в обозначении изолятора.
Пример 1
Воздушная линия электропередачи номинального напряжения Uном = 110 кВ с тросовыми молниеотводами, смонтирована на промежуточных свободностоящих железобетонных опорах ПБ110-5.
Воздушная линия проходит по населенной местности и находится в климатической зоне 2. Интенсивность грозовой деятельности в районе расположения воздушной линии Дг = 35 ч/год.
Грунты глина, чернозем.
Для опоры ПБ110-5 изоляционная подвеска фазных проводов выполнена изоляторами ПС120-А.
Для указанной линии принимается сталеалюминевый провод марки АС95/16 [3, c. 426].
Длина воздушной линии lвл = 30 км, длина пролета lп = 210 м. Выбранная опора имеет следующие характеристики: высота опоры (подвеска троса) hоп = 14,5 м, расстояние между тросом и верхним проводом по горизонтали S = a1 = 2 м.
По [4, с. 433] установки гасителей вибрации петлевого типа для защиты от вибрации проводов на промежуточных опорах ПБ110-5 с подвесными изоляторами не требуется т.к. длина пролёта не выходит за рамки дозволенного и в нашем случае используются одиночные провода марки АС95/16.
В зависимости от интенсивности пляски проводов и тросов ВЛ, согласно карте районирования по пляске, имеющейся в ПУЭ, территория прохождения ВЛ относится к 3-му району с частой пляской проводов, где повторяемость пляски более одного раза в год.
1.1. Выбор числа изоляторов в поддерживающих
гирляндах ЛЭП или ОРУ
Количество изоляторов в гирлянде по рабочему напряжению выбирается исходя из длины пути утечки, требуемого для данного класса напряжения при данном загрязнении местности и пути, обеспечиваемого типом изолятора, выбранного по электромеханическим нагрузкам. При этом используется не геометрическая длина пути утечки изолятора, а эффективная (действительная), которая равна:
,где К 1,0 – поправочный коэффициент, иногда называемый коэффициентом формы изолятора; Lу – длина пути утечки, мм. При отсутствии опытных данных К можно приближенно оценить по эмпирической формуле:
,где D – диаметр тарелки изолятора, мм.
Значения К приведены в литературе [2, с. 173].
В качестве характеристики надежности изоляторов при рабочем напряжении принята удельная эффективная длина пути утечки
,которая нормируется в зависимости от степени загрязненности атмосферы и номинального напряжения установки; Uнаиб.раб – наибольшее рабочее междуфазное напряжение.
Пример 2. Расчет числа изоляторов в гирлянде ВЛ.
Выбираем линейный подвесной стеклянный изолятор из закаленного стекла ПС120-А [4, с. 439].
Высота изолятора 138 мм
Диаметр изолятора 260 мм
Диаметр стержня 16 мм
Длина пути утечки 325 мм
Разрушающая электромагнитная нагрузка 123600 Н
Пробивное напряжение 120 кВ
Выдерживаемое напряжение:
одноминутное при 50 Гц под дождем 45 кВ
импульсное при волне 1.2/50 мкс (+) – 110 кВ
(-) – 110 кВ
Масса изолятора 5,7 кг.
эф = 1,6 см/кВ,
Umax = 1,15Uном = 1,15110 = 126,5 кВ,
Lут/D = 325/260 = 1,25,
K = 1 + 0,5(Lут/ D - 1) = 1 + 0,5(325/260 - 1) = 1,125,
Lyт = 325 мм.
Число изоляторов в гирлянде должно быть [2, с. 174]
По вычисленным данным выбираем целое число изоляторов для ВЛ с железобетонными опорами: N = 7.
Длина гирлянды из 7 изоляторов
Hг = 1387 = 966 мм.
Найдем 50 % напряжение для изоляторов.
По [2, с. 84]
U50 % (+) = 600 кВ; U50 % (-) = 600 кВ.
Для ВЛ, проходящих в зоне повышенной загрязненности, для увеличения надежности число изоляторов в гирлянде увеличивают на 1 изолятор для напряжений до 110 кВ и на 2 изолятора для более высоких напряжений.
При выборе изоляции для ОРУ в целях увеличения надежности число изоляторов увеличивают на 2 изолятора по сравнению с ВЛ.
1.2. Расчёт максимальной напряжённости электрического поля
на проводах ЛЭП или шинах подстанции
На проводах линий электропередачи переменного тока, особенно на линии СВН, может возникать коронный разряд. Коронный разряд, или корона, – это самостоятельный разряд, возникающий в резко неоднородных полях, в котором ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередач.
Корона, охватывающая весь провод, появляется при некоторой начальной напряженности поля Ен. Начальная напряженность коронного разряда по эмпирической формуле Пика определяется [8, с. 168]
Ен = 30,3m
,где m – коэффициент гладкости провода,
относительная плотность воздуха [8, с. 168],
r – радиус провода.
При = 1, Ен = 30,30,821
= 27,71 кВ/см .С увеличением радиуса провода начальная напряженность снижается незначительно, что объясняется более медленным спадом напряженности вблизи провода большого сечения и, соответственно, более благоприятными условиями развития лавин [10]. При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объёмный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе.
Напряжённость поля у поверхности провода во время коронирования остается равной Ен. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объёмного заряда и снижению напряженности до Ен. Вследствие увеличения объёмного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение:
Uн = Еrln
,где h – высота одиночного провода над землей,
Напряженность на поверхности провода:
Е =
,
,
м,
м.Е =
= 20,91 кВ/см.Так как объёмный заряд при любой полярности провода перемещается от провода к земле, напряженность поля у поверхности провода стремится увеличиться. Однако из-за усиления при этом ионизации воздуха объёмный заряд вблизи провода пополняется, и напряженность поля в итоге сохраняется равной Ен.
При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряженность поля у провода достигает значения Ен, и горит, пока напряжение не достигает максимума. После этого напряженность поля у провода становится ниже Ен и корона потухает.
1.3. Расчёт потерь на корону на подходящей ЛЭП и
ошинковке подстанции
Основные данные для расчёта потерь на местную корону находятся экспериментальным путем на опытных пролетах ВЛ, снабженных измерительной аппаратурой для измерения потерь. Теоретический анализ показывает, что потери P для одиночных проводов выражается функциональной зависимостью:
,где r0 – радиус провода;
Е – напряженность на поверхности провода;
Ен – начальная напряженность короны.
=
.Потери на корону зависят от погоды. Существуют следующие виды погоды: 1) хорошая погода (без осадков); 2) дождь (включая мокрый снег); 3) снег; 4) изморось. Функции Fх.п, Fд, Fc, Fиз для указанных видов погоды построены на рис. 10.3[10].
На коронные потери, в частности при измороси, оказывает влияние токовая нагрузка линии, подсушивающая провода, однако количественные сведения об этом явлении недостаточны.
(Рис. 10-3 [10])Дальнейший расчёт основывается на продолжительности в году различных групп погоды. В среднем при типовом проектировании линии в районах с умеренным климатом можно принять продолжительность хорошей погоды Тх.п = 7235 ч, дождя и мокрого снега Тд = 500 ч, снега Тс = 800 ч, измороси Тиз = 225 ч [10, с. 171].
Среднегодовые потери мощности на корону линии определяют суммированием потерь при разных погодах по формуле:
1.4. Радиопомехи
Радиопомехи, так же, как и потери на корону, возрастают с увеличением напряженности поля на проводе и с увеличением диаметра проводов (в пучке) вследствие возрастания мощности импульсов коронного разряда и увеличения числа импульсов. Радиопомехи возрастают во время дождя, снега и вообще в плохую погоду. В связи с этим радиопомехи имеют вероятностный характер.
Спектр частот излучения, создающего радиопомехи, охватывает диапазон от 10 кГц до 1 ГГц. Помехи на частотах выше 30 МГц оказывают мешающее влияние на телеприём и возникают только при коронировании линии 750 кВ. Источниками помех в этом случае помимо короны на проводах служат ЧР в зазорах и трещинах изоляторов и корона на заостренных элементах арматуры. В хорошую погоду корона на проводах практически не создает помех телевизионному приему.
Интенсивность радиопомех характеризуется вертикальной составляющей напряженности электрического поля вблизи поверхности земли (Е2). Уровень радиопомех, дБ, определяется величиной
;Е напряженность электрического поля, мкВ/м.
Обычно за базовое значение принимают Е1 = 1 мкВ/м, тогда Y = 20lgЕ.
В качестве расчетной частоты по рекомендации Международного комитета по радиопомехам принимается 0,5 МГц. Уровень полезного сигнала при этой частоте составляет примерно 60 дБ. Радиоприем считается удовлетворительным, если полезный сигнал превышает помехи на 20 дБ.
По мере удаления от линии уровень помех снижается. Увеличение радиуса проводов при неизменной напряженности поля на них приводит к росту уровня радиопомех, поскольку спад напряженности поля у провода в радиальном направлении при этом замедляется и создаются условия для развития более интенсивной стримерной короны.
Радиопомехи практически не зависят от числа составляющих проводов расщепленной фазы, поскольку происходит взаимное электромагнитное экранирование проводов фазы.
Акустический шум возникает главным образом в плохую погоду, когда усиливается интенсивность коронирования проводов. Звуковой эффект при этом имеет две составляющие: 1) шипение, соответствующее частоте 100 Гц и кратным ей частотам, 2) широкополосный шум. Первая составляющая обусловлена движением объёмного заряда у проводов, что дважды за период создает волны звукового давления. Вторая генерируется стримерной короной. Особенно интенсивный шум от короны возникает при сильном дожде, однако такой дождь, сам создает шум, превышающий по громкости возможные акустические помехи от линий электропередач. Поэтому более существенны помехи при моросящем дожде, в туман, при мокрых проводах после сильного дождя. Уровень громкости в этих случаях на 5-6 дБ(А) ниже, чем в сильный дождь, но значительно превышает общий звуковой фон. Оценка акустического шума делается по условиям «влажных» проводов.
По санитарным нормам допустимый уровень громкости равен 45 дБ (А). Линии СВН в России не приближаются к границам населенных пунктов ближе чем на 300 м. А на таком расстоянии уровень громкости при влажных проводах ниже допустимого значения.
1 2
Похожие:
 | Организация пассажирских перевозок: Учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию. – Ростов н/Д: Рост гос ун-т путей сообщения.... | | Методическое пособие предназначено в помощь студентам учебных заведений спо заочного обучения по специальности «Строительство и эксплуатация... |
 | Методические указания к курсовому и дипломному проектированию предназначены для студентов по специальности 13. 02. 11 «Техническая... | | Методическое руководство к курсовому проектированию для студентов по специальности 151001 |
| Учебно-методическое пособие предназначено для выполнения курсового проекта, лабораторных работ и практических занятий по дисциплине... | | На оказание услуг по ремонту электротехнического оборудования распределительного газопровода высокого давления грс-3-хтэц-2 для нужд... |
| Учебно-методическое пособие предназначено для руководителей структурных подразделений университета и профессорско-преподавательского... | | Курсовое проектирование – вид учебного процесса по изучаемой дисциплине, результатом которого является курсовой проект или курсовая... |
| Учебно-методическое пособие по выполнению практических работ для студентов по специальности 13. 02. 11«Техническая эксплуатация и... | | Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Республики Саха (Якутия) |