kp_loeng2

Kõrgepingetehnika

Ü. Treufeldt. TTÜ elektroenergeetika instituut 28

2.4.3 Barjäärid tugevalt mitteühtlases väljas Tugevalt mitteühtlase välja ühtlustamine:

• Ekraanid – metallist

Joonis 2.10 Teravikelektroodi ekraneerimine metallekraaniga

• Barjäärid – dielektrilisest materjalist

Joonis 2.11 Väljatugevuse ühtlustamine barjääriga

Joonis 2.12 Lahenduspinged erinevatel poolperioodidel (perioodid vastavad teraviku laengule)

Ekraan

U1

U2

t

U

E

Barjäär

1

2

E

Erl Erl

Kõrgepingetehnika


Joonis 2.13 Barjääri mõju

U1 = 60

U2 = 150

1 2

s1 40

80

120

kV

0 2 4 6 8 cm

s

s1 s1

s s = 10 cm

1

2

Kõrgepingetehnika


2.5 Sädelahendus impulsspingel 2.5.1 Lahenduse hilinemisaeg Laviini moodustumine, arenemine striimeriks ja striimeri arenemine võtab aega. Lahenduse hilinemisaeg on ajavahemik lahenduspinge rakendumisest kuni lahenduse alguseni. Lahenduse hilinemisaeg koosneb kahest osast: fs ttt += ,

kus: ts on statistiline hilinemisaeg tf on lahenduse formeerumise aeg

Joonis 2.14 Lahenduse hilinemisaeg A. Statistiline hilinemisaeg = esimese vaba elektroni oodatav tekkimise aeg, mis sõltub:

• katoodi materjalist • rakendatud pingest • välise ionisaatori intensiivsusest

Katoodi materjali iseloomustab väljumistöö Wv

Joonis 2.15 Statistilise hilinemisaja sõltuvus katoodi materjalist

t

U0

U

ts tf

t

0,01 eV

0,1

1

µs ts

Wv

0 2 4

Al

Ag Cu

CuO

Kõrgepingetehnika


Rakendatud pinget U võrreldakse kestva võrgusagedusliku läbilöögipinge amplituudiga (nn. staatilise läbilöögipingega) U0 Näiteks kuullahendi korral, kui

Joonis 2.16 Statistilise hilinemisaja sõltuvus pingest Kõrvalise ionisaatori poolt lüüakse katoodist välja ühes ajaühikus n elektroni. Seega on oodata, et hiljemalt väljub elektron hetkel 1/n pärast seda, kui U ≥ U0 Kõige varem võib elektron väljuda hetkel, kui pinge saavutab väärtuse U0 Seega keskmiselt (statistiliselt) toimub esimese elektroni väljumine hetkel

nn

2

1

2

01

=+

Kuid mitte iga väljunud elektron ei põhjusta laviini. Siiski võib piisavalt kõrge pinge juures eeldada, et juba esimene väljunud elektron tekitab laviini (vt. joon. 2.16).

Al

∅∅∅∅ 50 mm 11 mm

1,0

1,4

1,6

1,8

2,0 U/U0 Cu CuO

ts µs 10 1 0,1 0,01

n2

1

Kõrgepingetehnika


B. Lahenduse formeerumise aeg Lahenduse formeerumise aeg koosneb:

• alglaviini liikumise ajast • striimeri liikumise ajast • pealahenduse liikumise ajast

Tugevalt mitteühtlases väljas

strf v

st = ,

kus: s on elektroodide vahekaugus vstr on striimeri liikumise kiirus Anoodstriimeril ja katoodstriimeril on erinevad kiirused. Striimeri kiirus sõltub ka elektroodide kujust

Striimerite keskmised kiirused

Emax/Ekesk 100 13,5 1 van-str cm/s 2*107 1*108 2*108 vkat-str cm/s 2*106 2*107 8*107

Kõrgepingetehnika


2.5.2 Volt-sekund karakteristikud Pingeimpulss:

tf

timp

t

0,9 Umax

0,3 Umax

0,5 Umax Umax

Joonis 2.17 Pingeimpulsi normeeritud kuju Isolatsiooni katsetamisel on impulsid normeeritud:

• standardne e. järsk impulss frondi kestus:

tf = 1,2 µs impulsi kestus e. poolväärtusaeg:

timp = 50 µs

• kommutatsiooni- e. lauge impulss frondi kestus:

tf = 250 µs impulsi kestus e. poolväärtusaeg:

timp = 2500 µs Volt-sekund karakteristikuks nimetatakse keskmise lahendusaja sõltuvust rakendatud pingeimpulsi amplituudist Karakteristiku katseliseks määramiseks kasutatakse impulsspinge generaatorit (IPG) Katseid alustatakse väiksemast lahenduspingest.

Kõrgepingetehnika


Igal pingel tehakse suur hulk katseid ja leitakse keskmine lahendusaeg (soovi korral ka hajuvus ning jaotusseadus)

Joonis 2.18 IPG ja lahendusajad

( )0

0 1tt

TUtu

−+=

Joonis 2.19 Volt-sekund karakteristiku koostamine

Joonis 2.20 Volt-sekund karakteristik erinevate elektroodide korral

IPObj PJ

Osts. t

U

U

t

Uimp max

U

t

Kõrgepingetehnika


Impulsitegur:

Hz

impi

U

Uk

502= ,

kus: Uimp on läbilööki põhjustanud impulsi suurim pinge (Umax) U50 Hz on võrgusageduslik läbilöögipinge

2.6 Lahenduspinged gaasides 2.6.1 Üldist Enimlevinud gaasisolatsioon on õhk Õhu elektriline tugevus on suhteliselt madal Siseisolatsioonis kasutatakse ka teisi gaase (elegaas jt) Tihti kasutatakse õhkisolatsiooni koos tahke isolatsiooniga – kriitiline koht on siis tahke isolatsiooni pind – ülelöök Läbilöögiprotsess on statistilise iseloomuga:

• normaaljaotus • Weibulli jaotus

2.6.2 Õhu elektriline tugevus Õhu elektriline tugevus sõltub eelkõige välja kujust:

• ühtlases väljas (Rogowsky elektroodid) o keskmiselt 30 kV/cm o kui s = 1 mm, siis 45 kV/cm o kui s = 1 m, siis 24 kV/cm

• tugevalt mitteühtlases väljas o 4 kV/cm kuni 7 kV/cm

Kõrgepingetehnika


Joonis 2.21 Õhu läbilöögipinge sõltuvus elektroodide vahelisest kaugusest. Elektroodid: varras – tasapind ja varras – varras

a) Standardne impulss b) Kommutatsiooni impulss IEC standardid annavad valemid elektroodide vahemiku minimaalse (so positiivse polaarsusega impulsi korral) läbilöögipinge leidmiseks: Keskmine läbilöögipinge standardse (välgu-) impulsi korral on:

U50LI = (380 + 150 k) d, kus: U50LI on 50 % läbilöögipinge, kV (LI – lightning impulse), d on elektroodide vaheline kaugus, m, k on elektroodide kujutegur (gap factor)

varras – tasapind on tavaliselt nõrgim, seal k = 1,

muud k väärtused leiduvad alltoodud tabelis Keskmine läbilöögipinge kommutatsiooni impulsi (SI – swiching impulse) korral:

U50SI = k 500 d 0,6.

Kõrgepingetehnika


Kujuteguri väärtused erinevate õhkisolatsiooniga faas – maa vahemike korral

Elektroodide kuju Tegur k

Varras – tasapind 1,00 Varras – võrk 1,05 Juhe – tasapind 1.15 Juhe – mastiava 1.20 Juhe – vörk (allpoolasuv) 1.30 Varrassädemik (kaugus maast 3 m) 1,30 Juhe – võrk (kõrval- või ülalasuv) 1,35 Varrassädemik (kaugus maast 6 m) 1,30 Juhe – tross (kõrval- või ülalasuv) 1,40 Juhe – traaversi ots 1,55 Juhe – varras (kaugus maast 3 m) 1,65

Läbilöögipinge tippväärtus vahelduvpingel leitakse tavaliselt:

U50AC = 1,1 U50SI . Vahelduvpingel avaldab mõju ka rakendatud pinge sagedus:

Joonis 2.22 Õhu läbilöögipinge sõltuvus sagedusest

• Vahemikus 1 sagedus ei mõjuta ionisatsiooniprotsessi • Vahemikus 2 ei jõua kõik (positiivsed) ioonid ühe poolperioodi jooksul

katoodini • Vahemikus 3 tekib tasakaal uute ioonide tekkimise ja ioonide katoodile

jõudmise vahel • Vahemikus 4 ei jõua kõik vabad elektronid ühe poolperioodi jooksul

anoodile

f

U

f1 f2 f3 f4

1 2 3

4 5

Kõrgepingetehnika


• Vahemikus 5 ei jõua kõik elektronid enam ioniseerida Õhu läbilöögipingele avaldavad mõju atmosfääri tingimused, so temperatuur, rõhk ja niiskus: Katsetulemused taandatakse “normaaltingimustele” Normaaltingimused on:

Temperatuur 293°K = 20°C Rõhk 101,3 kPa = 760 mmHg Niiskus veeauru 11 g/m3

2.6.3 Gaasid siseisolatsioonis Siseisolatsioonis kasutatakse elektronegatiivseid gaase. Need on gaasid, mille molekulid seovad endaga kergesti elektrone, moodustades väheliikuvaid nega-tiivseid ioone. Seega väheneb vabade elektronide arv lahendusprotsessis, mistõttu nendel gaasidel on suurt elektriline tugevus.

Elektronegatiivsete ainete elektriline tugevus ja veeldumistemperatuurid

Gaas Elektriline tugevus õhu

suhtes

Veeldumis-temperatuur, 0C

Süsiniktetrakloriid, CCl4

Seleenfloriid, SeF4

Freoon, CCl2F2

Elegaas, SF6

6,3

4,5

2,5

2,5…3

76

49

- 30

- 63 Peamised elektronegatiivsed ained on: floor, kloor, hapnik, lämmastik. Elektronegatiivsuse astet iseloomustatakse sidumiskoefitsiendi η abil. Kõigis valemeis, kus esineb põrkeionisatsioonikoefitsient α tuleb sel juhul kasutada nn netopõrkeionisatsioonikoefitsienti ehk vahet:

α – η Elegaas

• ei ole mürgine ega tuleohtlik • ei reageeri kergesti teiste materjalidega • väga püsiv molekul (püsib stabiilsena kuni 500 0C) • on õhust 5 korda raskem

Kõrgepingetehnika


Joonis 2.23 Elegaasi molekuli struktuur

Joonis 2.24 Elegaasi Pacheni kõver alalis- ja vahelduvpingel (tippväärtus)

• Elegaasi eelised õhu suhtes avalduvad ühtlases väljas.

• Tugevalt mitteühtlases väljas läheneb tema elektriline tugevus õhu omale.

• Ühtlane väli pole kunagi ideaalne, seepärast ei lange reaalse mõõtmise

tulemused Pacheni seadusega kokku.

Kõrgepingetehnika


Joonis 2.25 Elegaasi Pacheni kõverad alalis- ja vahelduvpingel (tippväärtus) erinevate rõhkude ja elektroodide vahekauguste korral

Elegaasisolatsiooni kasutamine vähendab gabariite, näiteks 110 kV GIS:

Joonis 2.25 Gabariitide võrdlus õhk- ja elegaasisolatsiooni kasutamisel Vahel kasutatakse gaase siseisolatsioonis kõrgendatud rõhu all. Kõrgendatud rõhul tuleb arvestada nn gaaslahenduse anomaaliaga:

Õhk, 100 % Elegaas, 12 %

Kõrgepingetehnika


Joonis 2.26 Läbilöögipinge (pidev joon) ja koroona alguspinge (punktiir) sõltuvus rõhust, alalispinge, teravik positiivne.

Vaakum isoleerkeskkonnana

• Vaakumlülitid • Vaakumkondensaatorid.

Joonis 2.27 Erinevate isoleermaterjalide läbilöögipinge sõltuvus elektroodide vahelisest kaugusest ühtlases väljas.

Läbilöögipinge sõltub: - vaakumi “sügavusest” - elektroodide materjalist - elektroodide pinna ebatasasustest - materjalide puhtusest

Kõrgepingetehnika


2.7 Pindlahendus 2.7.1 Üldmõisteid Tahke dielektrik muudab lahenduse tingimusi ja lahenduse arengut õhus. Lahenduspinge on tahke dielektriku pinnal reeglina väiksem, kui õhu läbilöögipinge. Tahke dielektriku pinnal jagatakse elektriväli E kaheks komponendiks:

• pinnaga rööpseks e. tangensiaalseks komponendiks Et • pinnaga ristiolevaks e. normaalkomponendiks En

Joonis 2.28 Elektrivälja tangensiaal- ja normaalkomponent

2.7.2 Pindlahendus ühtlases väljas

Joonis 2.29 Dielektrik ühtlases väljas

Et

E En

E

Kõrgepingetehnika


Lahenduspinge alanemise põhjused (võrreldes õhkvahemikuga): • dielektriku pinnale adsorbeeruv niiskus • dielektriku pinna saastumine • dielektriku ja elektroodide mittetäielik ühendus

Niiskus:

1. sisaldab + ja – ioone 2. elektriväljas hakkavad ioonid liikuma 3. elektriväli muutub ebaühtlaseks 4. lahenduspinge dielektriku pinnal alaneb (kestval pingel rohkem,

impulsspingel suhteliselt vähe) Saast:

1. seob niiskust 2. sisaldab erineva dielektrilise läbitavusega aineid (sealjuures ebaühtlaselt) 3. elektriväli muutub ebaühtlaseks 4. lahenduspinge dielektriku pinnal alaneb

Ebatihe kontakt

Joonis 2.30 Dielektriku halb kontakt elektroodidega

1. dielektriku ja elektroodi vahele jääb õhkvahemik 2. õhkvahemikus suhteliselt tugev elektriväli 3. õhkvahemikus esineb tugev ionisatsioon ja kiirgus 4. ioonid tekitavad mahulaengu 5. kiirgus tekitab vabu elektrone 6. elektriväli muutub ebaühtlaseks 7. lahenduspinge alaneb

Ebatihedate kontaktipindade vältimiseks kasutatakse:

E1 εεεε1

εεεε2

E2

1

2

2

1εε

=E

E

Kõrgepingetehnika


• isolaatorite tsementeerimist • pehmeid tihendeid • dielektrikute kontaktpindade metalliseerimist

Joonis 2.31 Lahenduspinge sõltuvus dielektriku materjalist ja elektroodide vahekaugusest

a) 1 – õhkvahemik b) 1 – õhkvahemik 2 – parafiin 2 – impulsspinge 1,2/50 µs 3 – portselan 3 – alalispinge 4 – klaas 4 – vahelduvpinge 50 Hz 5 – klaas ja portselan halva kontakti korral

2.7.2 Pindlahendus mitteühtlases väljas 2.7.2.1 Mitteühtlane väli domineeriva tangensiaalkomponendiga

Joonis 2.32 Domineeriva tangensiaalkomponendiga elektriväli Niiskuse ja saaste mõjust põhjustatud täiendav mõju välja mitteühtlusele ja

s

1 2

3

4

5

1

2

3

4

Umax

Umax

kV

kV

cm

cm

0

2

4

6

8

0

1

2

3

4

40

80

80

40

50 Hz

Klaas õhus

a)

b)

s s

U

Dielektrik

Kõrgepingetehnika


seega ka lahenduspingele on suhteliselt väike. Väljatugevus on suurim elektroodide teravate servade läheduses, kus tekib intensiivne ionisatsioon. Joonis 2.33 Lahenduspinge amplituud erinevate dielektrikute korral

1

2

3

4

50 Hz

U

kV

cm

0

2

4

6

8

40

80

l

Dielektrik

1. Õhkvahemik 2. Parafiin või puit 3. Bakeliit 4. Portselan või klaas

l U

Kõrgepingetehnika


2.7.2.2 Mitteühtlane väli domineeriva normaalkomponendiga

Joonis 2.34 Domineeriva normaalkomponendiga elektrivälja tekkimine

Lahenduse tekkimine:

• suurim väljatugevus esineb silindrilise elektroodi serva juures • ümber silindrilise elektroodi alumise serva tekib koroona juba suhteliselt

madalatel pingetel • pinge tõstmisel tekivad striimerid • striimeritel on oluline mahtuvus alumise elektroodi suhtes, mille tõttu

striimereid läbib suhteliselt suur vool • suure voolu tõttu striimerite temperatuur kasvab ja tekib

termoionisatsioon • selle tulemusel langeb oluliselt striimerite takistus ja suureneb nende

heledus ning tekib nn. liuglahenduseks • liuglahenduskanalite pikkus kasvab pinge tõstmisel kuni dielektriku

ülelöögini (elektroodide vahel) Lahenduspinge sõltub tekkiva kanali mahtuvusest. Kanali mahtuvust iseloomustatakse dielektriku pinnaerimahtuvusega. Pinnaerimahtuvus on dielektriku selle pinna, millel areneb lahendus, pinnaühiku mahtuvus vastaselektroodi suhtes.

U

Elektroodid

Dielektrik

En E

Et

Kõrgepingetehnika


Liuglahenduse alguspinge leidmiseks kasutatakse Tepleri valemit

4

45,010

36,1 −⋅=C

U liug kV

kus: C – dielektriku pinnaerimahtuvus, F/cm2 : d

Cε

=

Liuglahenduse alguspinge teisiti: s

liugd

AUρε ⋅

=

Liuglahenduskanali pikkus leitakse valemiga

4521

dt

dUUCl liug κ= cm

kus: κ1 – katseliselt määratud tegur

Ülelöögipinge 2,0

4,0

2 ld

Uül

=ε

κ

kus: κ2 – katseliselt määratud tegur εεεε – suhteline dielektriline läbitavus d – dielektriku paksus l – elektroodide vahekaugus

Joonis 2.35 Õhus paikneva portselanist läbiviikisolaatori ülelöögipinged Kõrgematel sagedustel või impulsspingete korral on mahtuvus ja mahtuvuslikud voolud suuremad kui võrgusagedusel. Seepärast algab liuglahendus kõrgematel sagedustel ja impulsspingete korral kergemini ja ülelöögipinge on madalam.

D

5

10

15

20

Uül

kV

cm

0

40

80

l

Uül l

D1 D2

D1 = 7 cm D2 = 8 cm R = 3 mm

R

D = 0 cm

D = 3 cm cm

D = 7cm

Kõrgepingetehnika


2.7.3 Märg- ja saastlahendused.

• Väliskeskkonna toimel isolaatorid saastuvad

• Kuivsaaste ei mõjuta märgatavalt isolaatorite lahenduskarakteristikuid

• Märgudes tekitab saaste isolaatorile nõrga elektrolüüdikihi –takistus langeb oluliselt

• Ka puhta isolaatori märgumine (vihm) tekitab isolaatori pinnale

suhteliselt väikese mahueritakistusega veekihi ( 310=ρ Ωm)

• Sellistel tingimustel läbib isolaatori pinnal olevat kihti lekkevool, mis hakkab isolaatori pinda soojendama.

• Seoses isolaatori pinna kujuga ja saaste ebaühtlusega on soojenemine

ebaühtlane.

• Tulemuseks aurub niiskus isolaatori pinnalt ebaühtlaselt ja mõnedes kohtades ületab aurustumiskiirus vee juurdetuleku kiiruse ning need (mõne millimeetrise laiusega) alad kuivavad.

• Kuivanud ala takistus suureneb oluliselt ja kogu pinge rakendub sellele

kitsale kuivanud alale.

• Tulemuseks on kuivanud pinnaosa ülelöök

• Ülelöögiga seotud lekkevoolu suurus sõltub ülejäänud (märja) osa takistusest ja lahenduse edasiseks arenemiseks on võimalikud kaks varianti:

1. Kui märgunud isolaatori pinna takistus on suur, siis on lekkevool väike

ja lahendus sumbub kiiresti.

o Seejärel (vihma jätkumisel) märgub ülelöögikoht uuesti ja kogu protsess kordub.

o Sellise väikese ülelöögi tulemusel jääb isolaatori ülelöögitugevus

paktiliselt samaks, kuid selliste lahenduste pikaajalisel toimel tekivad isolaatori pinnale juhtivad söestunud rajad – trekid e. roomerajad

o Trekid põhjustavad (ka kuiva) isolaatori lahenduspinge olulist

Kõrgepingetehnika


alanemist.

o Sellist protsessi nimetatakse trekinguks ja isolaatorite materjal peab olema võimalikult trekingukindel.

2. Kui märgunud isolaatori pinna takistus on väike, siis on lekkevool suhteliselt suur ja tekkinud kaar ei sumbu vaid kasvab kiirusega umbes 50 m/s kuni isolaatori täieliku ülelöögini.

Kuna isolaatori pinna osaliseks kuivamiseks kulub teatud aeg, siis nn. märg- ja saastlahendused saavad areneda ainult kestaval (vahelduv)pingel. Impulsspinged ülalkirjeldatud lahendusmehhanismi ei vallanda. Saastlahenduspinge leidmine

Joonis 2.36 Saastlahenduspinge arvutamisel kasutatavad isolaatori

parameetrid

Lekkevool: l

lR

UI =

Lekkeraja takistus ∫ ∆=

lL

m

il

D

dlR

0 πρ

,

kus: Ll – lekkeraja kogupikkus, iρ – saaste eritakistus,

Dm – isolaatori keskmine diameeter:

∆∆∆∆

D(l)

Di

Ds

L l

Kõrgepingetehnika


( )∫=lL

lm

L

dllDD

0

Lihtsustatult: 2

ism

DDD

+=

Sellistel tingimustel avaldub saastlahenduspinge valemiga

lm

isaast L

DKU

4,0

⋅∆

=ρ

,

kus K on eksperimentaalselt määratav tegur (sõltub isolaatori ehitusest ja materjalist). Saastlahenduspinge suurendamise võimalused:

1. Lekkeraja pikendamine

• suurem isolaatorite arv ketis (tõstab ka vastupidavust impulsspingele)

• suurem seelikute või ribide arv

2. Pooljuhtiva glasuuriga isolaatorite kasutamine

3. Isolaatorite perioodiline survepesu

4. Portselanisolaatorite asendamine komposiitisolaatoritega

5. Isolaatorite katmine toatemperatuuril vulkaniseeritava silikoonkummiga (kestab 5…10 aastat)

6. Isolaatori katmine määretega (saastab ja peab vastu 1…2 aastat – tänapäeval kasutatakse harva)

Kõrgepingetehnika


2.8 Isolaatorid Isolaatorite talitluskarakteristikud sõltuvad oluliselt isolaatori välispinna kujust – seelikute ja ribide arvust, nende kujust ja mõõtmetest. Isolaatorite ülelöögil on määrava tähtsusega nende saastlahenduspinge. Saastlahenduspinge suurus sõltub oluliselt ribidest ja seelikutest. Isolaatori kuju on oluline, kuna:

• seelikute alumised küljed võivad sajus jääda kuivaks ja • õigesti kujundatud isolaatori ribid ja seelikud peavad lahenduse

osaliselt eemaldama isolaatori pinnast • isolaatori läbimõõdu suurendamine mõjub lahenduspinget

alandavalt • isolaatori kuju peab soodustama isepuhastumist

2.8.1 Isolaatorite konstruktsioon 2.8.1.1 Aparaadiisolaatorid

Joonis 2.37 Aparaadiisolaatorite konstruktsioon o tõirtugiisolaator o varrastugiisolaator o läbiviikisolaator

Kõrgepingetehnika


Tõirtugiisolaatorid: • tõir tagab vajaliku mehaanilise tugevuse • kasutusala tavaliselt kuni 35 kV-ni • kõrgematel pingetel kasutatakse mitut üksteise otsa liidetud

tõirtugiisolaatorit – probleemid murdetugevusega • murdetugevuse tõstmiseks kasutatakse mitmesambalisi konstruktsioone

Varrastugiisolaatorid:

• sisetingimustel kasutatakse lihtsakujulisi, peaaegu silindrilise profiiliga varrastugiisolaatoreid

• isolaatori lahenduskarakteristikute parandamiseks võidakse kasutada sisemisi ekraane

Joonis 2.38 Sisemise ekraani mõju varrastugiisolaatori lahenduspingele 1) positiivne impulsspinge + 1,2/50 µs 2) negatiivne impulsspinge – 1,2/50 µs

Vihje: tugevalt mitteühtlases väljas algab pindlahendus vaadeldaval isolaatoril anoodi poolt ka siis kui anoodiks on alumine elektrood (negatiivne impulss). Ribi asukoht valitakse ülemise elektroodi (mütsi) lähedusse, kuna lahenduse algust soodustav suur väljatugevus esineb ülemise elektroodi juures:

• ribi sunnib lahendust arenema elektrivälja suunaga nurga all • seega väheneb lahenduse arenemissuunas olev väljatugevuse komponent • selle tulemusena lahenduspinge suureneb

1

2 U

cm

l

kV

0

2

4

6

8

180

220

140 10

12

30

l

Uimp

loptimaalne

Kõrgepingetehnika


Sisetingimustes kasutatakse varrastugiisolaatoreid pingel kuni 35 kV. Välistingimustel kasutatavate varrastugiisolaatorite välispind on tugevasti liigendatud. Varrastugiisolaatorite murdejõud on tavaliselt 3…50 kN. Läbiviikisolaatorid

• portselanisolaator • läbiviikjuht • kinnitusäärik

Oluline on siin mahtuvuslik komponent – lahenduspinge suurendamiseks tuleb läbiviikisolaatori pinnaerimahtuvust vähendada. 2.8.1.2 Liiniisolaatorid

Joonis 2.39 Liiniisolaatorite konstruktsioon o liinitõirisolaator o taldrikisolaator o liinitugiisolaator o varrasisolaator o komposiitisolaator o liinitugiisolaatorid isoleeritud juhtmetele

Kõrgepingetehnika


Liiniisolaatoritele mõjuvad tegurid:

• võrgus esinevad pinged ja liigpinged • ümbritsev keskkond

o temperatuur o ultraviolettkiirgus o vihm o jäide o saastumine

• mehaanilised koormused 2.8.2 Isolaatorite materjal Klaasisolaatorid:

• karastatud klaas – isolaatorketid • lõõmutatud klaas – tõirisolaatorid • klaasil on metalliga ligikaudu sama paisumistegur • klaasi pinnal võivad esineda mikropraod

Keraamilised isolaatorid:

• glasuuritud portselan • pinnal esineb mikropragusid • kiire tõusuga impulssidele alanenud läbilöögipinged • portselani paisumistegur erineb metalli omast – metalli ja portselani

vahele pannakse elastne kiht

Komposiitisolaatorid: • klaastekstoliidist vardad • polümeerseelikud (tefloon, polüpropüleen vms) • eelised:

o kergus o hea tugevuse ja kaalu suhe o ei saastu kergelt o esteetilisem välimus o vandalismikindlus

• puudused: o traking ja erosioon o väike kaarekindlus o ebaõnnestunud konstruktsiooni korral:

1. võib esineda roomav lahendus 2. käidus võib mehaaniline tugevus langeda

Kõrgepingetehnika


2.8.3 Isolaatorite põhikarakteristikud

Joonis 2.39 Isolaatorketi lahenduspinge ja elektrilise tugevuse sõltuvus elektroodide vahekaugusest lk.

1) kuivlahendus 2) märglahendus

Joonis 2.40 Isolaatorketi ülelöök

kV

1500

1000

500

0 2 4 6 m

lk

m

kV

kV 500

400

300

0 2 4 6 m

lk 200

U E

2

1 1

c l t

b

a

H

lk

Kõrgepingetehnika


Vahelduvpingel 50 Hz:

o üksiktaldrikisolaatori korral kulgeb lahendus praktiliselt täielikult mööda isolaatori pinda mööda rada a (v.a. taldriku alaküljel paiknevad sooned ja ribid)

o n taldrikust koosneva isolaatorketi korral on võimalikud kaks

lahendusvarianti:

väiksemate taldrikute korral, kui 3,1<H

lt kulgeb lahendus

mööda rada b, vaatamata sellele, et kt lln >

suuremate taldrikute korral, kui 3,1≥H

lt kulgeb lahendus

mööda rada c , mille ligikaudne pikkus on nHlk =

Isolaatorketi kuivlahenduspinged on oluliselt määratud ketti ühendatud isolaatorite arvust e. isolaatorketi pikkusest (joon. 2.39). Isolaatorketi märglahenduspinged avalduvad valemiga

märgmärg nHEU = ,

kus Emärg on märglahendus-elektriväljatugevuse efektiivväärtused:

Emärg = 200…260 kV/m

Impulsspingetel ei oma isolaatori pinna seisund erilist tähtsust, kuna märg- ja saastlahendused ei jõua impulsspinge lühikese kestuse tõttu oluliselt areneda.

• 50%-stel kommutatsiooni-impulsspingetel on lahenduspinged võrreldes kuivlahendusega vahelduvpingel mõnevõrra kõrgemad:

o kui kl < 2 m, siis lahenduspinge on 5…10% suurem o kui kl = 5…6 m, siis lahenduspinge on 20…30% suurem

• atmosfäärilistel impulsspingetel on lahenduspinged sõltuvalt keti pikkusest ja isolaatorite tüübist 5…60% suuremad.

Kõrgepingetehnika


Isolaatorid peavad olema selliselt projekteeritud, et nad vastaksid kõikidele nõutud taluvuspingetele:

Pinge klass 45 kV < Us ≤ 245 kV 245 kV < Us

Isolaatorkomplektid Isolaatorkomplektid Isolaatori tüüp

Tald-rik-

Var-ras-

Kom-posiit-

Liini-tugi-

Tald-rik-

Var-ras-

Kom-posiit-

Võrgusageduslik taluvuspinge vihmas

X X X X – – –

Võrgusageduslik kuivtaluvuspinge

X X X X X X X

Lülitus-impulss-taluvuspinge vihmas

– – – – X X X

(Üksiku isolaatori) läbilöögitaluvuspinge

X – – X* X – –

* Ei ole vajalik isolaatoritele, mis ei ole läbilöödavad

2.8.4 Isolaatorite valik Isolaatorite valiku aluseks on saastlahenduspinge, mis peab olema suurem maksimaalsest rakenduvast pingest Um:

mlm

isaast UL

DKU >

⋅∆=

4,0ρ

,

mille alusel määratakse kindlaks vajalik lekkeraja Ll eripikkus λ:

4,01

⋅∆>=

i

m

m

l D

KU

L

ρλ

Isolaatorite valiku aluseks ongi vajalik efektiivne lekkeraja eripikkus λλλλef

Kõrgepingetehnika


Lekkeraja eripikkused (IEC 60815) Saastatuse tase

ESDD*) (mg/cm3)

Keskkond λλλλef mm/kV

I, vähene 0,03…0,06 Tööstus puudub, meri kaugel, tihti tuult ja vihma

16

II, keskmine 0,1…0,2 Tihe asustus, tööstus, tihti tuult ja vihma

20

III, tugev 0,3…0,6 Tööstuspiirkond, palju ahjukütet, rannik

25

IV, väga tugev >0,6 Saastav tööstus, intensiivne liiklus 31 *) ESDD – Equivalent Salt Deposit Density (ekvivalentne soolasaaste tihedus)

• Väga puhtas piirkonnas võib λλλλef < 16 mm/kV, kuid mitte alla 12 mm/kV

• Väga saastatud piirkonnas võib λλλλef = 31 mm/kV osutuda ebapiisavaks Isolaatori valikul leitakse vastav lekkeraja eripikkus λλλλef tabelist.

• Vajalik lekkerada: mefl UL λ=

• Ühe isolaatori lekkerada imefi UL λ≥

• Isolaatorite arv isolaatorketis i

mef

L

Un

λ≥

110 kV n = 7…9 330 kV n = 16…19

Parandustegur K

• kui Dkeskm.= 300…500 mm, siis KD = 1,1 • kui Dkeskm.> 500 mm, siis KD = 1,2

Lekkeraja parandatud pikkus: Dmefl KUL λ=

Isolaatori valikul on oluline ka nn. lekkeraja tegur KCF

ü

lCF

L

LK = ,

kus: Lü on ülelöögiraja pikkus.

Kõrgepingetehnika


IEC 60815 nõuab:

• I ja II saastatuse taseme korral ≤CFK 3,5

• III ja IV saastatuse taseme korral ≤CFK 4,0 Isolaatorketis esinevad mahtuvused mõjutavad pingejaotust isolaatorketis:

Joonis 2.41 Pingete jagunemine isolaatorketis: c0 – isolaatori oma mahtuvus c1 – isolaatori mahtuvus maa suhtes c2 – isolaatori mahtuvus juhtme suhtes n – isolaatori järjekorranumber u – isolaatorile langev osapinge protsentides

• Joonisel 2.41 on nooltega kujutatud isolaatorite mahtuvusi läbivate voolude

suunad.

• Isolaatorite ja maa (traaversi) vahelised mahtuvused c1 ja vastavad voolud on mõnevõrra suuremad kui isolaatorite ja juhtme vahelised mahtuvused c2 ja vastavad voolud.

• Isolaatorist maha voolav vool vähendab järgmist isolaatorit läbivat voolu ja seega ka järgmisele isolaatorile rakenduvat pinget (kõver 1 joonisel 2.41).

• Juhtmest isolaatorisse suunduv vool suurendab järgmist isolaatorit läbivat voolu ja seega ka järgmisele isolaatorile rakenduvat pinget (kõver 2 joonisel 2.41).

• Tegelikku (summaarset) pingete jagunemist isolaatorketis kujutab kõver 3.

20

%

u

c1 c2

c0

15 10 5 0 1

2

3

4

5

6

n

25

30

1

2

u6

u5

u4

u3

u2

u1

Kõrgepingetehnika


2.9 Koroonalahendus Koroonalahendus e. koroona tekib tugevalt mitteühtlases väljas. Tugevalt mitteühtlane väli esineb tüüpiliselt liinijuhtmete ümber. Tugeva välja piirkonnas e. juhtme lähedal arenevad laviinid, striimerid ja osalahendused tekitavad koroona. Koroonalahenduse algusväljatugevus on määratud valemiga

( )

+⋅=

38,00

lg65,0

15,24δ

δr

mEa ,

kus: m – juhtme pinda iseloomustav tegur,

δ – õhu suhteline tihedus, r0 – juhtme raadius Juhtme pinda iseloomustav tegur

• sile juhe, ilus ilm m = 1 • köisjuhe, ilus ilm m = 0,82…0,94 • vihm ja lumi m = 0,73…0,57 • härmatis, jäide m = 0,6

Õhu suhteline tihedus 0

0p

p

T

T⋅=δ

Koroonalahenduse alguspinge leitakse valemiga

o

oaar

HrEU

2lnlglg =

Koroona alguspinge peab olema kõrgem liini faasipingest fa UU >lg

Juhtme arvutusliku raadiuse suurendamiseks kasutatakse juhtme “lõhestamist”

Kõrgepingetehnika


Lõhisjuhtme ekvivalentne raadius

n nloekv rrnr 1−=

Joonis 2.42 Juhtme lõhestamine Juhtme pinnal esinev keskmine elektriväli avaldub valemiga

ekvo

f

ookesk

r

srn

U

r

qE

ln2==

πε

Juhtme pinnal esinev suurim elektriväli leitakse keskmise elektrivälja alusel

keskEkE =max , kus tegur k on nn. väljavõimendustegur

( )l

o

r

rnk 11 −+=

Liini ühe kilomeetri aastane koroonakaoenergia avaldatakse erinevates tingimustes esinevate võimsuskadude alusel

( )härmhärmvihmvihmlumilumiilusilusok hPhPhPhPrNA +++= 22

8760=+++ härmvihmlumiilus hhhh Keskmine koroonakaovõimsus

8760k

kA

P =

ro

r l

Kõrgepingetehnika


1) ilus ilm 2) lumi 3) vihm 4) härmatis

Joonis 2.43 Koroonakao taandatud võimsus erinevatel ilmastikutingimustel Koroona halvad tagajärjed:

1) Lisavõimsuskaod liinides 2) Raadiohäirete tekitamine (0,15…100 MHz)

10 1

0,1

0,01

0,001 0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

22o

k

rN

P

%

lga

maks

E

E 1

2

3

4

kp_loeng2

Documents