Расчет трансформаторного ввода с RIP-изоляцией

Расчет трансформаторного ввода с RIP-изоляцией с током до 300 А.

Общие сведения.

Для аппаратов на напряжение 35-110 кВ используются вводы с RIP-изоляцией. Их недостаток – малая влагостойкость и низкая технологичность. Поэтому такие изоляторы помещают в фарфоровые покрышки, а пространство между покрышками и RIP-изоляционным телом заливают специальной мастикой (рис. 43).

Рис 43. Ввод наружной установки на напряжение 35 кВ для масляного выключателя:

1 – бумажно-бакелитовое тело изолятора; 2 –фарфоровая покрышка;
3 – мастика; 4 – фланец; 5 – токоведущий стержень.

Электрический расчет изолятора

Расчет проходного изолятора с RIP-изоляцией на напряжение 110 кВ ток 300 А для ввода напряжения в трансформатор, ведется по методике «Расчет и конструирование  электрической изоляции» В.С.Дмитриевский [8].

Определение длины воздушного и масленого концов

По ГОСТ 1516.2-76,[9] определяем напряжение сухого изолятора и при дожде для данных условий:

U_C =295 кВ

U_Д=215 кВ.

Исходя из значений, взятых из ГОСТ1516.2-76, за расчетное напряжение принимаем:

.

Из (2-168) получим:

.

При действии дождя на поверхность  изолятора из (6-3) получим:

.

Так как длина изолятора при дожде должна быть больше, чем при сухой, наибольшее значение длины воздушного конца:

.

Длину масленого конца найдем по (6-30):

,

где , Напряженность определяется из условия, чем меньше номинальное напряжение, тем больше значении .Выберем .

Расчет радиуса токопроводящего стержня

Перед началом расчета выбираем значение из диапазона (3,6÷5). Допустимую напряженность  поля . Среднюю толщину изоляции между обкладками выбираем минимальную из диапазона (2÷3), мм. Плотность тока J для стержня изолятора задается в диапазоне (0,5÷2) А/. В связи  с недостаточным теплообменном данного изолятора выбираем J наименьшей, .

Радиус токоведущего стержня по (6-28) получим:

Напряжение возникновения короны поверхностных разрядов при металлических обкладках получим по (6-64)

Допустимая напряженность поля в радиальном направлении при расчетном напряжении

Для дальнейших расчетов  из условий отсутствия коронных разрядов при рабочем напряжение

По (6-53) определим:

r_ст=25,1 мм.

Т.е. максимальный радиус .

  Стержень выбираем в виде трубы. Внутренний радиус трубы найдем по (6-29):

Сечение токопроводящей трубки составит:

.

Расчет размеров внутренней изоляции

Внешний радиус изоляции получим из (4-58):

.

Длину обкладки у фланца определим по (4-56):

.

Длину обкладки у стержня найдем по (4-58):

.

Число слоев изоляции получим из (6-57)

Длину уступа находим по (6-58):

l_уст=

Округлим длину уступа до 0,03м получим окончательное число слоев n=33

Длины всех обкладок определяем по (6-59):

Их радиусы по формуле:

.

Падение напряжения на каждом слое при расчетном напряжении по (6-60):

Получаемые значения длин и радиусов обкладок сводим в таблицу 23

Табл. 23

1	0,33	104	0,01757	0,0532	10,08	2,166	0,336	5,614	1,206	2,17	52,23
2	0,36	102,2	0,01910	0,05305	10,04	2,159	0,335	5,243	1,127	2,24	52,41
3	0,39	100,3	0,02062	0,05287	10,01	2,152	0,334	4,943	1,063	2,31	52,59
4	0,42	98,21	0,02216	0,05276	9,99	2,147	0,333	4,693	1,009	2,37	52,70
5	0,45	96,06	0,02367	0,05260	9,96	2,141	0,332	4,485	0,967	2,42	52,86
6	0,48	93,81	0,02520	0,05251	9,94	2,137	0,331	4,312	0,927	2,46	52,95
7	0,51	91,48	0,02673	0,05242	9,92	2,133	0,331	4,167	0,896	2,51	53,04
8	0,54	89,06	0,02826	0,05234	9,91	2,130	0,330	4,050	0,871	2,54	53,12
9	0,57	86,58	0,02979	0,05226	9,89	2,127	0,330	3,950	0,850	2,57	53,20
10	0,6	84,04	0,03132	0,05219	9,88	2,124	0,329	3,873	0,833	2,60	53,27
11	0,63	81,45	0,03285	0,05214	9,87	2,122	0,329	3,812	0,820	2,62	53,32
12	0,66	78,82	0,03437	0,05208	9,86	2,120	0,328	3,767	0,810	2,63	53,38
13	0,69	76,15	0,03589	0,05202	9,85	2,117	0,328	3,736	0,803	2,64	53,49
14	0,72	73,47	0,03743	0,05198	9,84	2,116	0,328	3,715	0,799	2,65	53,53
15	0,75	70,77	0,03896	0,05194	9,83	2,114	0,327	3,707	0,797	2,65	53,58
16	0,78	68,07	0,04047	0,05189	9,82	2,111	0,327	3,712	0,798	2,65	53,61
17	0,81	65,37	0,04201	0,05186	9,81	2,109	0,327	3,729	0,802	2,64	53,64
18	0,84	62,68	0,04353	0,05183	9,81	2,108	0,327	3,756	0,807	2,64	53,67
19	0,87	60,01	0,04506	0,05180	9,80	2,107	0,327	3,795	0,816	2,62	53,69
20	0,9	57,36	0,04610	0,05178	9,80	2,106	0,327	3,841	0,826	2,61	53,74
21	0,93	54,75	0,04812	0,05174	9,79	2,105	0,327	3,903	0,839	2,59	53,77
22	0,96	52,18	0,04964	0,05171	9,79	2,104	0,326	3,972	0,854	2,56	53,79
23	0,99	49,65	0,05117	0,05169	9,78	2,103	0,326	4,056	0,872	2,54	53,81
24	1,02	47,17	0,05270	0,05167	9,78	2,102	0,326	4,147	0,892	2,51	53,84
25	1,05	44,75	0,05422	0,05164	9,78	2,101	0,326	4,255	0,915	2,48	53,85
26	1,08	42,39	0,05576	0,05163	9,77	2,100	0,326	4,375	0,940	2,45	53,88
27	1,11	40,09	0,05728	0,05160	9,77	2,100	0,326	4,505	0,968	2,41	53,88

Продолжение табл. 23

28	1,14	37,86	0,05882	0,05160	9,76	2,099	0,326	4,653	1	2,37	53,91
29	1,17	35,70	0,06033	0,05157	9,76	2,098	0,326	4,814	1,035	2,33	53,93
30	1,20	33,61	0,06186	0,05155	9,76	2,097	0,325	4,994	1,074	2,29	53,93
31	1,23	31,59	0,06341	0,05155	9,76	2,097	0,325	5,191	1,116	2,25	53,95
32	1,26	29,65	0,06492	0,05153	9,76	2,097	0,325	5,411	1,163	2,20	53,95
33	1,29	27,79	0,06644	0,05150	9,75	2,096	0,325	5,646	1,213	2,16	53,95
34	1,32	26,00		1,71652	324,98	68,816	---	---	---	---	---

Падение напряжения на каждом слое при расчетном напряжении по (6-60):

Соответственно при рабочем напряжении U_раб

где U_раб=.

Приведенная аксиальная напряженность поля по (6-62):

Радиальную напряженность поля определяем при расчетном напряжении по (6-63):

Напряжение, кВ, появления поверхностных разрядов по цилиндрическому диэлектрику рассчитывается по формуле (2-173):

Где r₁ и r₂ –внутренний и внешний радиусы цилиндрического диэлектрика соответственно; -относительная диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика. (3,5÷4)

Построим зависимость радиальной напряженности поля от количества слоев изоляции рис. 44.

Рис. 44. Зависимость радиальной напряженности поля от количества слоев изоляции

Определение толщины фарфоровой покрышки

Толщина (сечение) фарфоровой покрышки определяется по методу последовательности. Зададимся толщиной  фарфоровой покрышки мм из диапазона 1÷50 мм.

Определяем момент сопротивления, полагая внутренний радиус фарфоровой покрышки равным радиусу обкладки у фланца плюс 6 мм:

.

Тогда внутренний диаметр определяется по формуле:

.

Внешний диаметр:

.

По (6-15) и (6-17) получим:

.

Пологая

.

По (6-14) при кН находим:

Механическое напряжение определим по (6-18):

Сечение фарфоровой покрышки:

По рис. 6-10 находим . Так как <, то толщину фарфоровой покрышки принимаем 30 мм.

Тепловой расчет проходного изолятора

Зададимся температурой t_c=+30⁰. Тепловыделение в токопроводящем стержне длиной 1 м

В первом, считая от стержня, слое изоляции тепловыделение:

где ; ;  берем из таблицы 6, .

Зависимость  от температуры приближенно выразим по формуле:

Перепад температур в первом слое изоляции получим в соответствии с (5-45) (значение таблицы 23):

Перепад температур во втором слое:

Аналогично рассчитываем перепады температур во всех слоях изоляции Расчеты сведены в таблицу 24.

Табл. 24

i	t=+30	t=+10	t=-10	t=-30
i
33	0,211	29,83	0,273	0,142	9,84	0,183	0,095	-10,14	0,123	0,063	-30,13	0,0821
32	0,215	29,65	0,272	0,145	9,69	0,182	0,097	-10,28	0,122	0,065	-30,26	0,0820
31	0,220	29,46	0,271	0,148	9,52	0,182	0,099	-10,43	0,122	0,065	-30,39	0,0818
30	0,225	29,26	0,270	0,151	9,35	0,181	0,101	-10,58	0,122	0,068	-30,51	0,0816
29	0,230	29,06	0,269	0,154	9,18	0,181	0,104	-10,73	0,121	0,069	-30,64	0,0814
28	0,235	28,85	0,268	0,158	8,99	0,180	0,106	-10,88	0,121	0,071	-30,78	0,0812
27	0,240	28,63	0,267	0,162	8,82	0,180	0,109	-11,03	0,120	0,073	-30,91	0,0811
26	0,246	28,41	0,266	0,166	8,63	0,179	0,111	-11,19	0,120	0,074	-31,04	0,0808
25	0,252	28,18	0,265	0,170	8,44	0,178	0,114	-11,35	0,120	0,076	-31,17	0,0807
24	0,259	27,94	0,264	0,174	8,25	0,178	0,117	-11,51	0,119	0,078	-31,30	0,0805
23	0,265	27,69	0,262	0,179	8,05	0,177	0,120	-11,67	0,119	0,081	-31,42	0,0803
22	0,273	27,45	0,261	0,184	7,85	0,176	0,124	-11,83	0,119	0,083	-31,57	0,0800
21	0,280	27,19	0,260	0,189	7,65	0,175	0,128	-11,99	0,118	0,086	-31,70	0,0798
20	0,288	26,93	0,259	0,195	7,46	0,174	0,132	-12,15	0,118	0,088	-31,83	0,0797
19	0,297	26,67	0,258	0,201	7,25	0,174	0,136	-12,31	0,117	0,091	-31,96	0,0794
18	0,306	26,41	0,256	0,207	7,04	0,174	0,140	-12,47	0,117	0,094	-32,09	0,0793
17	0,316	26,14	0,255	0,214	6,84	0,173	0,145	-12,63	0,117	0,098	-32,22	0,0792
16	0,326	25,87	0,254	0,222	6,63	0,172	0,150	-12,80	0,116	0,101	-32,35	0,0791
15	0,338	25,59	0,253	0,230	6,42	0,172	0,150	-12,96	0,116	0,105	-32,48	0,0789
14	0,350	25,32	0,252	0,239	6,21	0,171	0,162	-13,12	0,116	0,109	-32,61	0,0788
13	0,363	25,04	0,250	0,248	6,01	0,171	0,168	-13,28	0,116	0,114	-32,73	0,0787
12	0,379	24,77	0,250	0,259	5,80	0,170	0,176	-13,44	0,115	0,119	-32,86	0,0786
11	0,394	24,49	0,249	0,270	5,59	0,170	0,184	-13,59	0,115	0,124	-32,98	0,0784
10	0,413	24,22	0,247	0,283	5,39	0,169	0,193	-13,75	0,115	0,130	-33,09	0,0783
9	0,433	23,95	0,246	0,297	5,19	0,168	0,202	-13,90	0,115	0,137	-33,22	0,0783
8	0,455	23,68	0,245	0,313	4,99	0,168	0,213	-14,05	0,115	0,145	-33,33	0,0782
7	0,480	23,41	0,244	0,330	4,79	0,168	0,225	-14,20	0,114	0,153	-33,44	0,0782
6	0,508	23,15	0,244	0,350	4,59	0,168	0,239	-14,35	0,114	0,163	-33,55	0,0782
5	0,540	22,89	0,243	0,373	4,40	0,167	0,255	-14,49	0,114	0,174	-33,66	0,0782
4	0,577	22,63	0,242	0,399	4,22	0,167	0,273	-14,63	0,114	0,186	-33,76	0,0782
3	0,620	22,39	0,241	0,429	4,04	0,167	0,294	-14,76	0,114	0,200	-33,86	0,0783
2	0,670	22,15	0,241	0,264	3,86	0,167	0,349	-14,89	0,114	0,217	-33,96	0,0784
1	0,730	21,91	0,240	0,506	3,69	0,167	0,348	-15,01	0,114	0,237	-34,05	0,0784
Стержень	2,617	30	---	2,416	10		2,214	-10		2,013	-30
Сумма	11,94		8,45	8,152		5,74	5,54		3,89	3,752		2,63

Перепад температур в фарфоровой покрышке получим по (5-41):

Перепад температур от поверхности фарфоровой покрышки в окружающую среду найдем при вертикальном расположении изоляции. Температура окружающей среды. Зададимся перепадом температур окружающей среды

. При t_o1 находим: ν=14,35∙10^-6 м²/с;    λ=2,53∙10^-2 ВТ/(м⁰С); P_rж=0,705;

Числа Грасгофа и Прандтля при температуре окружающей среды получим по формулам:

где

g – ускорение свободного падения

 - температурный коэффициент объемного расширения среды

ν- кинематический коэффициент вязкости среды

G_rжP_rж=1,49∙10⁹∙0,705=1,05∙10⁹

Так как G_rжP_rж>10⁹, то используем (5-61):

Число Нуссельта

Коэффициент теплоотдачи определим по (5-55):

Перепад температур

Поверхность фарфоровой покрышки определим из формулы

Зададим  тогда

Найдем свойства воздуха при t_o2:ν=15,06 ∙10^-6 м²/с; λ=2,59 10^-2 ВТ/(м ⁰С);  P_rж=0,7; P_rс=0,7;

G_rжP_rж=4,074∙10⁸∙0,705=2,85∙10⁸

Так как G_rжP_rж находится в пределах 10³-10⁹, то применим (5-60):

Коэффициент теплоотдачи определим по (5-55)[3]:

Перепад температур

Построив зависимость , найдем

Рис. 45. Определение перепада температур от фарфоровой стенки в окружающую среду

Задаемся температурой токопроводящего стержня 40⁰С и -40⁰С и проводим аналогичные расчеты, результаты которых сводим в таблицу 9.

Табл.9

На рис. 46 дана зависимость перепада температур от стержня в окружающую среду от температуры окружающей среды

Рис. 46. Зависимость суммарного перепада температур от стержня в окружающую среду от температуры окружающей среды.