ROZKŁAD NAPIĘCIA
NA ŁAŃCUCHU IZOLATORÓW
1. Omówienie tematu
Łańcuch kołpakowych izolatorów liniowych jest - z punktu widzenia teorii układów izolacyjnych wysokiego napięcia - szczególnym przypadkiem szeregowego układu izolacyjnego złożonego ze znacznej liczby elementów. W takich układach o rozkładzie napięcia decydują pojemności i rezystancje.
Można wykazać, że przy napięciu przemiennym 50 Hz - jeśli izolatory są czyste i suche - rezystancje izolatorów znacznie przewyższają reaktancje pojemnościowe, co można zapisać nierównością:
w której R, C oznaczają odpowiednio rezystancję i pojemność izolatorów.
W konsekwencji rozkład napięcia na łańcuchu zależy tylko od pojemności. Jak wynika ze schematu zastępczego łańcucha izolatorów (rys. 1) należy wyróżnić 3 rodzaje pojemności:
CW - pojemności własne izolatorów kołpakowych, C1 - pojemności sprzęgające do przewodu wysokiego napięcia, C2 - pojemności sprzęgające do uziemionej konstrukcji słupa wysokiego napięcia. Największe są pojemności własne izolatorów kołpakowych i można uznać je dla jednego typu izolatora, że są one jednakowe. Znacznie mniejsze są pojemności C2 poszczególnych ogniw łańcucha w stosunku do słupa. Wartości te są zdeterminowane przez odstępy izolatorów od słupa i jego konstrukcję. W przypadku łańcuchów przelotowych - zawieszonych równolegle do słupów - można uznać, że są one stałe. Najmniejsze wartości przyjmują pojemności C1 występujące między poszczególnymi izolatorami a przewodem wysokiego napięcia. Często traktuje się je jako stałe [1], aczkolwiek nie jest to słuszne bo odstępy poszczególnych izolatorów od przewodu są różne.
a)
b)
Rys. 1. Poglądowy szkic łańcucha izolatorów kołpakowych (a) i schemat zastępczy tego łańcucha (b).
Przy założeniu, że pojemności CW, C1, C2 są stałe rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych złożonych z n ogniw można przestawić następującą zależnością:
(1)
gdzie:
Ui - napięcie między danym izolatorem a przewodem wysokiego napięcia,
U - napięcie przyłożone do łańcucha,
i - kolejny numer izolatora w łańcuchu,
n - liczba izolatorów w łańcuchu,
Korzystając z równania (1) można opracować odpowiedni program komputerowy przydatny do analizy rozkładu napięcia na łańcuchu w zależności od pojemności składowych oraz do ekstrapolacji uzyskanych wyników pomiarowych.
W praktyce pojemności ogniw łańcucha względem przewodu C1 w pobliżu przewodu można zwiększyć przez zastosowanie pierścieni sterujących. Następuje to dzięki zbliżeniu i zwiększeniu powierzchni znajdujących się od napięciem elementów metalowych linii. Zwiększenie pojemności C1 polepsza rozkład napięcia na łańcuchu. Warunkiem uzyskania równomiernego rozkładu napięcia jest, by pojemność C1 wzrastała w miarę przybliżania się do przewodu zgodnie z zależnością:
(2)
W oparciu o zależność (1) można wyprowadzić wzory przydatne do analizy rozkładu napięcia w zależności od liczby ogniw w łańcuchu. Takie obliczenia są niezbędne w projektowaniu łańcuchów izolatorów linii bardzo wysokich napięć.
Nierównomierny rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów występuje zawsze i ma niestety tendencję wzrastającą w miarę wzrostu długości łańcucha. wprawdzie procentowo napięcie przypadające na pierwsze ogniwo od przewodu maleje w miarę wydłużania łańcucha ale ogólna nierównomierność narasta.
Na przykład w łańcuchu składającym się z 7 izolatorów kołpakowych największe i najmniejsze napięcia przypadające na izolatory wynoszą odpowiednio 24% i 10%, w łańcuchu złożonym z 10 izolatorów wynoszą już 20% i 6%. Jednak stopień nierównomierności w pierwszym przypadku wynosi 2,4 w drugim 3,3.
Dlatego charakteryzując nierównomierność rozkładu nacięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych należy raczej posługiwać się współczynnikiem nierównomierności napięcia k zdefiniowanego zależnością:
(3)
gdzie:
DUm - największy spadek napięcia na izolatorze w łańcuchu,
DUśr - średnia wartość napięcia przypadająca na 1 ogniwo łańcucha,
U - napięcie przyłożone do łańcucha,
N - liczba ogniw w łańcuchu.
Podstawą obliczeń komputerowych powinny być dane uzyskiwane z pomiarów - np. pomiarów poszczególnych pojemności. Jednak w praktyce preferuje się raczej pomiary rozkładu napięcia na łańcuchach izolatorów zainstalowanych w sposób możliwie dokładny odwzorowujący sytuację łańcucha zawieszonego na słupie w sieci elektroenergetycznej. Z otrzymanych doświadczalnie zależności DU = f(n) można wyznaczyć przy pomocy komputera pojemności C1 i C2 stosując metodę kolejnych przybliżeń (pojemność własna izolatorów CW jest zwykle znana jako stosunkowo łatwo mierzalny parametr konstrukcyjny).
Pomiary rozkładu napięcia dokonywane są kolejno na poszczególnych izolatorach przy pomocy iskiernika kulowego lub metodą kompensacyjna. Głównym problemem metrologicznym jest uniknięcie wpływu doprowadzeń, bądź sondy , na badany rozkład napięcia. Niezależnie od tego trzeba się liczyć z błędem systematycznym spowodowanym zwiększaniem pojemności ogniwa przez włączoną równolegle do izolatora pojemnością własną iskiernika. Błąd ten wynosi parę procent. Wskutek tego suma spadków napięć jest z reguły mniejsza od napięcia przyłożonego do łańcucha.
Metoda kompensacyjna jest dokładniejsza niż metoda iskierników. Znajduje zastosowanie do określania rozkładu potencjałów nie tylko na łańcuchu izolatorów kołpakowych, lecz również na izolatorach długopniowych, wsporczych, a nawet do wyznaczenia potencjału dowolnego punktu pola elektrycznego w otoczeniu izolatora.
Pomiary polegają na skompensowaniu badanego potencjału napięciem transformatora kompensującego, zasilanego za pośrednictwem autotransformatora z przesuwnikiem fazowym (konieczne to jest do skompensowania każdej wartości chwilowej napięcia z uwzględnieniem przesunięcia fazowego). Wskaźnikiem zera może być elektroskop, neonówka lub woltomierz elektrostatyczny. Jednak ich czułość jest stosunkowo mała. Wady tej nie posiada metoda Drewnowskiego (prof. Politechniki Warszawskiej, którego życie i twórczość przypada na początek naszego stulecia) polegająca na zastosowaniu jako przyrządu zerowego czułego miernika magnetoelektrycznego zasilanego z małej baterii. Umożliwia to odizolowanie układu od ziemi. Dużą trudność w przygotowaniu układu kompensacyjnego stanowi właściwy dobór transformatora probierczego i przekładnika kompensacyjnego oraz układu regulacji napięcia przekładnika. Urządzenia te nie mogą odkształcać sinusoidy napięcia. W przeciwnym razie ze względu na dużą czułość układu nie uda się skompensować napięcia mierzonego.
2. Zadania
Posługując się iskiernikiem kulowym F = 10 mm, zmierzyć spadki napięcia na ogniwach łańcucha złożonego z 5 izolatorów kołpakowych LK 280/170 przy tym samym napięciu U przyłożonym do łańcucha:
a) łańcuch z pojedynczym przewodem bez pierścienia sterującego,
b) łańcuch j.w., w którym izolator nr 3 zastąpiono izolatorem nr 3a
c) sprawdzić, czy suma zmierzonych spadków napięć DU równa się napięciu przyłożonemu - jeśli nie wprowadzić poprawki proporcjonalne do mierzonych wartości.
d) wyrazić skorygowane wartości DU w jednostkach względnych (w stosunku do napięcia przyłożonego).
Wyznaczyć współczynniki nierównomierności rozkładu napięcia dla:
a) łańcuchów izolatorów z zadania 1,
b) łańcucha izolatorów jak w zadaniu 1a, po zastąpieniu przewodu zwykłego przewodem z pierścieniem sterującym,
c) łańcuchów izolatorów jak w zadaniu 1a dla N = 4, 3 i 2 ogniw.
Wyniki przedstawić graficznie jako zależność k = f(N).
Korzystając z programu komputerowego dla zadania 1a wyznaczyć metodą kolejnych przybliżeń pojemności do przewodu C1 i do ziemi C2 przy założeniu, że pojemności izolatorów
CW = 29,5 pF. Wykonać wydruk DU = f(N) dla łańcucha z zadania 1a.
Na podstawie wyników z zadania 3 wykonać wydruki charakterystyk DU = f(N) dla łańcuchów o liczbie ogniw np. 10 i 15.
3. Układ pomiarowy
Ćwiczenia wykonać przy pomocy transformatora TP 60. Pomiary napięcia na poszczególnych ogniwach wykonać iskiernikiem kulowym F = 10 mm.
4. Sprawozdanie
Sprawozdanie winno zawierać wyniki pomiarów i wykresy oraz obliczenia i wydruki uzyskane przy pomocy komputera.
5. Zagadnienia kontrolne
Izolatory dla linii napowietrznych.
Konstrukcja izolatorów kołpakowych.
Schematy zastępcze szeregowego układu elektroizolacyjnego.
Pomiary napięcia iskiernikiem kulowym.
Sposoby poprawy rozkładu napięcia na łańcuchach izolatorów kołpakowych.
6. Literatura
[1]. Flisowski Z.: Technika Wysokich Napięć" WNT, Warszawa 1988 i 1992 i 1995
[2]. Praca pod redakcją J. Fleszyńskiego, "Laboratorium wysokonapięciowe w dydaktyce i elektroenergetyce", OWPWr 1999 r.
3