Именно с этим током связаны опасные воздействия молнии, вызывающие перенапряжения в линиях электропередач.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 14Следующая ⇒

От тепловыделения в разрядном канале молнии повышается давление, что служит источником ударной волны. Ударная волна переходит в акустическую, которая воспринимается как гром. При разряде молнии выделяется энергия на уровне »10⁹…10¹⁰ Дж, которая соответствует энергии взрыва порядка нескольких тонн взрывчатого вещества.

а б в г

Рис. 1.9. Схема разряда молнии:

а – первый лидер идет к земле со скоростью v₁;б – волна возвратного удара идет вверх со скоростью v₂; в – произошел
внутриоблачный пробой от канала возвратного удара на левую часть облака;
г – второй лидер движется со скоростью v₃ по частично распавшейся плазме
искрового канала

Молния как источник грозовых перенапряжений. При ударе молнии в линию электропередач на проводах создается высокое напряжение относительно Земли, под действием которого в обе стороны от места удара вдоль линии распространяются волны перенапряжений. Атмосферные перенапряжения совместно с рабочим напряжением воздействуют на изоляцию оборудования и могут приводить к выходу его из строя. Ток молнии, протекающий через пораженный объект, характеризуется максимальным значением , средней крутизной фронта a:

(1.28)

и длительностью импульса t_и, равной времени уменьшения тока до половины максимального значения. Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей продолжительностью гроз в часах. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций. Так, например, установлено, что в районах с числом грозовых дней в году n = 30 в среднем 1 раз в 2 года поражается 1 км² поверхности Земли. Таким образом, среднее число разрядов молнии в 1 км² поверхности Земли за один грозовой час равно 0,066. Такого рода данные позволяют оценить частоту поражения молнией различных энергетических объектов.

Удары молнии в наземные объекты часто сопровождаются пожарами и механическими разрушениями. Средства защиты от молнии (молниеотводы, заземлители) должны выдерживать удары молнии самой большой интенсивности. Для этого необходимо определить количество тепла, выделяющегося в проводнике при ударе молнии, и температуру, до которой при этом нагревается проводник:

(1.29)

где I_ср – средний ток многократной молнии, кА;

q_к– заряд, переносимый в Землю во время к-го разряда, Кл;

r – активное сопротивление проводника, Ом.

Температура t, до которой нагревается проводник, определяется как

(1.30)

где s – сечение проводника,м²;

l – длина проводника, м;

c – удельная теплоемкость, кДж/(кг ^оС);

g – удельная масса проводника, кг/м³.

1.1.10. Дуговой разряд

Дуговой разряд – самостоятельный электрический разряд в газе, горящий при относительно низком напряжении, которое соответствует значениям потенциала ионизации атомов газа (единицы-десятки Вольт). Особенностью дуговых разрядов является существование больших токов (1…100 кА), которые ограничиваются только мощностью источника питания разряда.

Впервые дуговой разряд наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 г. В.В. Петровым. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов из-за гравитации дугообразно изогнут, что и обусловило название. Характерной чертой дугового разряда является наличие очень яркого, малого по размеру пятна на катоде (катодное пятно), в которое стянут разрядный ток. В процессе горения разряда катодное пятно хаотично перемещается по поверхности катода. Температура поверхности электрода в пятне достигает величины температуры кипения материала катода. Поэтому значительную роль в формировании тока дугового разряда играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного пространственного заряда, который обеспечивает ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа. Этот слой создает высокую напряженность электрического поля у поверхности катода, особенно вблизи естественных микронеоднородностей поверхности, что приводит к усилению роли автоэлектронной эмиссии. Высокая плотность тока в катодном пятне – 10²…10⁷ А/см² и постоянное перемещение катодного пятна создают условия для возникновения взрывной электронной эмиссии. Непосредственно к зоне катодного падения потенциала примыкает положительный столб анодной части дуги. На аноде формируется яркое анодное пятно, несколько большего размера и менее подвижное, чем катодное. Нагретый до высокой температуры T = 6,000…12,000 К, а иногда и выше ионизованный газ со степенью ионизации около в столбе является термоионизованной плазмой, в которой концентрации электронов и ионов равны. Кроме описанной дуги с холодным катодом, существуют дуги с накаливаемым (термоэмиссионным) катодом, вакуумные дуги (горят в парах металлов, образованных за счет испарения электродов) и т. д.

Знание особенностей и закономерностей зажигания дуговых разрядов необходимо при проектировании и эксплуатации объектов электроэнергетики. Вследствие больших токов зажигание дугового разряда ведет к возникновению аварийного режима в силовых цепях и установках высокого напряжения, который может завершиться выходом из строя электрического оборудования.

1.1.11. Коронный разряд

Общая характеристика коронного разряда. Коронный разряд – один из видов самостоятельного разряда, возникающий в широком диапазоне давлений – от сотен долей Па до атмосферного и выше. Особенность коронного разряда состоит в том, что он может не завершиться пробоем промежутка. Коронный разряд возникает у электрода с малым радиусом кривизны и горит в виде светящегося ореола – «короны» (отсюда и название). Обязательным условием возникновения коронного разряда является значительная неоднородность электрического поля, К_н ³ 3.Такое электрическое поле возникает у проводов линий электропередач, появление коронного разряда у которых приводит к потерям электрической энергии. Потери на корону могут быть существенными и часто оказываются сравнимыми с потерями джоулева тепла в проводах. Ионизационные процессы в коронном разряде происходят только вблизи электрода с малым радиусом кривизны, эту зону называют чехлом короны. В зависимости от полярности электрода различают отрицательную и положительную короны. За счет процессов ударной ионизации в чехле короны непрерывно создаются заряженные частицы обоих знаков. Частицы того же знака, что и коронирующий электрод, под действием электрического поля выходят из чехла короны во внешнюю область и постепенно перемещаются к противоположному электроду.

Коронный разряд при постоянном напряжении. При постоянном напряжении различают два вида коронного разряда – униполярный и биполярный. Униполярный коронный разряд (униполярная корона) возникает в том случае, когда коронирующие электроды в промежутке имеют одинаковую полярность. При униполярной короне вся внешняя зона заполнена зарядами того же знака, что и коронирующий провод. Распределение зарядов в униполярной короне показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Распределение заряда в униполярной короне

Биполярный коронный разряд (биполярная корона) возникает в том случае, когда коронирующие электроды имеют противоположную полярность. Распределение заряда в этом случае показано на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Распределение заряда в биполярной короне

Во внешней зоне биполярной короны ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. Если бы на границе нулевого потенциала (линия нулевого потенциала показана штрихпунктиром на рис. 1.11) происходила полная рекомбинация ионов, биполярная корона состояла бы из двух не зависящих друг от друга униполярных коронных разрядов. В действительности на границе раздела происходит лишь частичная рекомбинация ионов, и значительная их часть проникает во внешнюю зону провода противоположной полярности. При этом уменьшается суммарный, объемный заряд этой зоны. Для того чтобы восстановить значение напряжения, обеспечивающее сохранение начальной напряженности поля на поверхности провода, ионизация в чехле короны должна возрасти и из чехла короны должен выделиться дополнительный заряд для нейтрализации проникших зарядов. Благодаря этому ток короны, а следовательно, и потери энергии в биполярной короне значительно больше, чем в униполярной.

Коронный разряд вынуждает ограничивать напряженность электрического поля у поверхности высоковольтных электродов многих конструкций и проводов линий электропередачи. Ограничения достигаются путем увеличения размеров электродов, придания им формы, обеспечивающей большую однородность поля, полировки электродов и т. д. На линиях электропередачи с номинальным напряжением 330 кВ и выше снижение напряженности электрического поля на поверхности проводов достигается расщеплением проводов, т. е. использованием
4–6 проводов на одну фазу, которые в результате увеличивают эффективный радиус. Начальная напряженность электрического поля Е_к, соответствующая появлению короны, зависит от радиуса кривизны электрода, вида газа, его относительной плотности и ряда других факторов. Параметр Е_к оказывается важным при расчете потерь энергии на корону. Начальная напряженность электрического поля, соответствующая появлению общей короны на одиночном проводе с < 1см рассчитывается по формуле Пика:

, (1.31)

где Е_к– начальная напряженность зажигания короны, (кВ/см); m – коэффициент гладкости провода (для хорошо отполированного круглого провода m = 1); d – относительна плотность воздуха; – радиус провода.

При > 1 см расчет необходимо вести по формуле Залесского:

(1.32)

Формулы (1.31 и 1.32) дают необходимую точность для оценки Е_к на проводах как для постоянного, так и переменного напряжения.

Коронный разряд при переменном напряжении. На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны U_н = U_к при времени t₁ (рис. 1.12, а). Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (рис. 1.12, в).

Из чехла короны положительные заряды выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (ОЗ). Процесс коронирования продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет U_макс при t₂. Несмотря на повышение U до U_макс, напряженность на проводе остается постоянной и равной Е_к из-за влияния объемного заряда. Затем напряжение начинает снижаться. Синхронно снижается и напряженность на проводеЕ_п,что приводит к погасанию короны. Но после погасания короны (после t₂) в пространстве вокруг провода остается положительный внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (рис. 1. 12, в). Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет ~ 40…100 см. Разность потенциалов между проводом и ОЗ увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени t₃. Еще до достижения t₃ потенциал на проводе относительно ОЗ приобретает отрицательное значение (условно при t₃). И при t₄ (рис. 1.12, а, в), когда напряжение достигает U₀, которое значительно меньше U_к, зажигается отрицательная корона. При этом отрицательно заряженные частицы начинают двигаться от провода во внешнюю область, а навстречу (к проводу) движутся положительно заряженные частицы из внешнего объемного заряда. Происходит релаксация заряженных частиц до полной компенсации положительного внешнего ОЗ (t₅). Затем накапливается отрицательный ОЗ во внешней области (t₆). Все это происходит за время от t₄ до t₆ (рис. 1.12, а, в). В момент времени t₆ (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются, и зажигание короны на обеих полярностях происходит при U₀. Между проводом и землей имеет место емкость С, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока. При этом между проводом и землей протекает емкостный ток i_c. (рис. 1.12, б):

. (1.33)

Возникновение коронного разряда в момент t₁ приводит к появлению тока короны i_к, который накладывается на емкостный ток линии и искажает синусоиду тока (рис. 1.12, б). Длительность пиков тока короны равна длительности ее горения, т. е. до времени t₂ (или t₄ – t₆, t₇ – t₈).

При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях потери энергии на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда – начальное напряжение, потери энергии, радиопомехи, шум – значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны.

Основы расчета потерь на корону.Потери энергии на корону экспериментально можно определить при помощи осциллографирования

вольт-кулоновой характеристики. При этом потери за один период определяются как

, Вт, (1.34)

где Q – величина объемного заряда в короне.

Из (1.34) следует, что потери пропорциональны площади, описываемой вольт-кулоновой характеристикой. Потери энергии при коронировании в единицу времени подсчитываются как

, Вт, (1.35)

где f – частота переменного тока.

При проектировании ЛЭП пользуются расчетными зависимостями потерь энергии при коронировании, т. к. использование методики расчета по вольт-кулоновой характеристике связано со значительными трудностями.

Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика:

, кВт/км×фаза, (1.36)

где d – относительная плотность воздуха;

f– частота, Гц;

r₀– радиус одиночного провода, см;

S– расстояние между проводами, см;
U_Ф– действующее значение фазного напряжения, кВ;

U_к – напряжение возникновения короны, кВ.

, кВ, (1.37)

где m₁ – коэффициент гладкости провода;

m₂ – коэффициент погоды.

Для идеально гладкого провода m₁ = 1, для реального витого провода
m₁ = 0,85…0,92 (зависит от конфигурации провода).

Для оценочного подсчета среднегодовых потерь все погодные условия разбивают на 4 группы:

1) хорошая погода;

2) дождь (включая мокрый снег и морось);

3) сухой снег;

4) изморозь (включая гололед и иней).

Наибольшие потери в единицу времени возникают при изморози. Усредненная продолжительность различных групп погоды приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Усредненная продолжительность различных групп погоды

Группа погоды	Продолжительность групп погоды за год (час)	Продолжительность групп погоды за год (%)
Хорошая погода	7120	81,3
Сухой снег	800	9,1
Дождь	500	5,7
Изморозь	340	3,9

На линиях напряжением 220 кВ и выше применяют расщепление проводов - подвешивают несколько проводов в фазе. Этим достигается уменьшение напряженности электрического поля около проводов и ослабление ионизации воздуха (короны). Расстояние между проводами расщепленной фазы составляет около 40 см. Для фиксирования вдоль линии устанавливают специальные распорки между проводами расщепленной фазы.

Рис. 1.13. Вид расщепленного на три составляющих провода фазы ЛЭП сверхвысокого напряжения:

а – шаг расщепления; r _р – радиус расщепления; r ₀ – радиус одиночных составляющих провода

В технике высоких напряжений принята следующая классификация классов напряжения:

· высокие напряжения (ВН) – 1…220 кВ;

· сверхвысокие напряжения (СВН) – 330…750 кВ;

· ультравысокие напряжения (УВН) ≥ 1150 кВ.

На рис. 1.13 приведен вид расщепленного фазного провода ЛЭП-500 кВ с радиусом расщепления r_р, состоящего из 3-х составляющих n = 3 радиусомr₀.

Для определения потерь при коронировании для расщепленных проводов используют формулу Майра:

×10^–5 , (1.38)

где n – число проводов в фазе;

f– частота, Гц;

r₀ – радиус одиночного провода, см;

Е_к – напряженность возникновения короны, кВ/с;

к – коэффициент погоды;

Е_э – эквивалентная напряженность, кВ/см:

. (1.39)

Неточность расчета обусловлена упрощением учета погодных условий, которые делятся на две группы: «хорошая» погода (к=44;
Е_к = 17 кВ/см) и «плохая» погода (к = 31,5; Е_к = 11 кВ/см).

Для Сибири потери на корону для 3-фазных ЛЭП сверхвысокого напряжения могут рассчитываться по формуле Л. Егоровой и Н. Тиходеева:

, кВт/км, (1.40)

где U_н – амплитудное значение фазового напряжения, кВ.

Для определения потерь на корону в течение года рассчитывают потери энергии для каждой группы погоды, а затем суммируют их с учетом продолжительности группы в течение года:

, (1.41)

где y_i – относительная продолжительность группы погоды;

Р_к_i – среднегодовая мощность потерь при i -й группе погоды.

1.1.12. Поверхностный разряд

Общая характеристика поверхностного разряда.Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток может существенным образом изменять условия и механизм развития разряда. Величина разрядного напряжения при этом снижается и зависит от давления газа и формы электрического поля, свойств твердого диэлектрика, состояния его поверхности и расположения относительно силовых линий электрического поля. Разряд вдоль поверхности диэлектрика называется поверхностным разрядом. Закономерности развития разрядов вдоль поверхности твердого диэлектрика необходимо знать для рационального конструирования изоляторов, которые являются важной составляющей высоковольтных изоляционных конструкций.

Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции рис. 1.14, а силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле является слабооднородным.

Рис. 1.14. Характерные конструкции воздушных промежутков
с твердым диэлектриком

В конструкции 1.14, б поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика Е_t преобладает над нормальной составляющей Е _n. В конструкции рис. 1.14, в поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных условиях, но удобна для определения влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы). В изоляционной конструкции рис. 1.14, а электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем чисто воздушного промежутка (рис. 1.15, кривая 5). Это связано с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом в тройной точке. Поверхность всех тел в воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик. Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещин на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 2–10 раз больше, чем воздуха). Увеличение напряженности поля в микрозазорах приводит к ионизации и усилению поля в основном промежутке и уменьшению напряжения перекрытия (рис. 1.15, кривая 4).

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов, защищающие диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные прокладки.

В изоляционной конструкции на рис. 1.14, б поле неоднородное, следовательно и в случае только воздушного промежутка разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис. 1.14, а, но оно слабее выражено, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно (рис. 1.16). При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может привести к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности. Все сказанное справедливо и для конструкции на рис. 1.14, в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкции на рис. 1.14, б. Стримеры, развивающиеся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримеры протекает сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримеров становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную составляющую, называют каналом скользящего разряда.

Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости плазмы стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.

U_ПР, кВ max

l, см

U_ПР, кВ max

Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости стримера относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда

(1.42)

где a – коэффициент, определяемый опытным путем;

С – удельная поверхностная емкость (емкость единицы поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд).

Из (1.42) при подстановке вместо l_ск расстояния между электродами по поверхности диэлектрика L можно определить значение напряжения U_р, необходимого для перекрытия изолятора.

Если же принять С =ee₀/d, где d – толщина диэлектрика, и считать значение du / dt постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, то из (1.42) получим:

. (1.43)

Из (1.43) следует, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов компенсируют удельную поверхностную емкость установкой экрана у фланца, с которого можно ожидать разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений.

При постоянном напряжении удельная поверхностная емкость практически не влияет на развитие разряда, и значение разрядного напряжения оказывается близким к разрядному напряжению воздушного промежутка.

В условиях эксплуатации поверхности изоляторов всегда загрязняются. Однако, как правило, сухие загрязнения, имеющие высокое сопротивление и не влияющие на распределение напряжения по поверхности изолятора, не снижают заметно его разрядного напряжения. Увлажнение слоя загрязнения моросящим дождем или росой приводит к уменьшению сопротивления слоя загрязнения, изменению распределения напряжения по поверхности изолятора, и в результате – к снижению его разрядного напряжения.

Механизмы перекрытия изолятора под дождем и при загрязненной и увлажненной поверхности сходны. Рассмотрим развитие разряда в случае, когда поверхность изолятора загрязнена и увлажнена.

Под действием приложенного к изолятору напряжения по увлажненному слою загрязнения проходит ток утечки, нагревающий его. Так как загрязнение распределено по поверхности изолятора неравномерно и плотность тока утечки неодинакова на отдельных участках изолятора из-за сложной конфигурации его поверхности, то нагревание слоя загрязнения происходит также неравномерно. На тех участках изолятора, где плотность тока наибольшая, загрязняющий слой тоньше, происходит интенсивное испарение воды и образуются подсушенные участки с повышенным сопротивлением. Распределение напряжения по поверхности изолятора меняется. Почти все напряжение, воздействующее на изоляцию, оказывается приложенным к подсушенным участкам. В результате этого подсушенные участки перекрываются искровыми каналами, называемыми частичными дугами. Сопротивление искрового канала меньше сопротивления подсушенного участка поверхности изолятора, поэтому ток утечки возрастает. Возрастание тока утечки приводит к дальнейшему подсушиванию слоя загрязнения, а следовательно, и к увеличению его сопротивления.

Интенсивное подсушивание поверхности изолятора у концов дуг приводит к их удлинению. Подсушивание всей поверхности ведет к снижению тока утечки, а увеличение длины частичных дуг – к его росту. Если результатом этого будет уменьшение тока утечки, то дуги погаснут, если же ток утечки будет расти, то частичные дуги будут удлиняться и перекроют весь изолятор. Так как параметры частичной дуги и количество дуг, одновременно существующих на поверхности изолятора, случайны, то и перекрытие также является случайным событием, характеризуемым определенной вероятностью. Вероятность перекрытия изолятора повышается с увеличением воздействующего напряжения, так как при этом возрастает ток утечки, что благоприятствует удлинению частичных дуг до полного перекрытия изолятора.

Из приведенной картины развития разряда следует, что разрядные напряжения изоляторов будут тем выше, чем меньше ток утечки

I_у = U_у/R, (1.44)

где R_у – сопротивление утечки по поверхности изолятора.

Если слой загрязнения имеет толщину D с удельным объемным сопротивлением r, то для цилиндрического гладкого изолятора диаметром D

(1.45)

где L_у – длина пути утечки.

Из (1.44) и (1.45) следует, что

(1.46)

Следовательно, разрядное напряжение изолятора будет возрастать с увеличением длины пути утечки и уменьшением диаметра изолятора:

(1.47)

Так как процессы подсушки поверхности изолятора происходят относительно медленно, то при кратковременных перенапряжениях они не успевают развиться и напряжение перекрытия бывает выше, чем при длительном воздействии напряжения.

Влагоразрядное напряжение изолятора зависит от характеристик слоя загрязнения (его количества и состава), а также от интенсивности и вида увлажнения. Большое разнообразие видов загрязнения, встречающихся в условиях эксплуатации, не позволяет выбрать единственное, «стандартное» загрязнение, которое можно было бы наносить на поверхность изоляторов при определении влагоразрядных напряжений. Наиболее правильно разрядные напряжения в реальных условиях загрязнения и увлажнения могут быть определены из опыта эксплуатации.

1.1.13. Понятие пробоя

Рассмотрев основные виды газовых разрядов и их влияние на работу изоляционных конструкций, определим смысл важного понятия в физике газового разряда и техники высоких напряжений – понятие пробоя.

Под пробоем понимают любой процесс быстрого возникновения сильно ионизованного состояния вещества под действием приложенного электрического поля. Если источник поля действует длительное время, в результате пробоя чаще всего зажигается самостоятельный разряд. В этом смысле нет необходимости делать различие между фактами пробоя и зажигания разряда. Поэтому напряжение пробоя часто называют напряжением зажигания. Так обычно происходит при низких давлениях.

Иначе обстоит дело при высоких (атмосферных) давлениях и применительно к искровому разряду, с которым тесно связан важнейший для техники высоких напряжений вопрос об электрической прочности газовой изоляции. В технике высоких напряжений пробоем называется образование сквозного канала высокой проводимости, способного пропустить столь сильный ток, что напряжение на изоляционном промежутке резко падает. Электрическая цепь оказывается в режиме короткого замыкания. Напряжения, приводящие к пробою, называют пробивными напряжениями.

Чтобы в разрядной цепи наступило короткое замыкание, сопротивление канала разряда, перекрывшего промежуток, должно стать меньшим, чем сопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление источника. Это и является количественным критерием пробоя. Сопротивление канала пробоя быстро уменьшается с течением времени и, в конце концов, не канал, а элементы внешней электрической цепи ограничивают ток возникшего короткого замыкания. Для этого состояние в канале должно быть неустойчивым, увеличение тока должно снижать напряжение, необходимое для поддержания ионизации в газе. Иначе говоря, ионизованный канал должен обладать падающей вольт-амперной характеристикой.

1.1.14. Влияние времени приложения напряжения на электрическую
прочность газовой изоляции

Эффект полярности

При кратковременных импульсах значение разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от продолжительности воздействия. Если к промежутку приложено напряжение, достаточное для пробоя, то для развития и завершения разряда в промежутке необходимо определенное время t_р, называемое временем разряда.

Рис. 1.17. Временная структура развития
разряда на импульсном напряжении

Импульсный пробой может происходить или при росте напряжения, или на его спаде (рис. 1.17). Если U_н– напряжение, при котором выполняется условие самостоятельности разряда, то до момента t₀разряд в промежутке принципиально произойти не может.

Развитие самостоятельного разряда начинается с появления в промежутке эффективного начального электрона, что является случайным событием. Время ожидания эффективного электрона t_с подвержено разбросу и называется поэтому статистическим временем запаздывания разряда. Это первая составляющая времени разряда. Следовательно, развитие разряда в промежутке начнется не в момент времени t₀, а в любой момент t ₂ = t₀ + t_С.

Другой составляющей, имеющей также статистический характер, является время формирования разряда t_Ф, т. е. время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка. Это время называется временем запаздывания развития разряда t_з = t_с + t_Ф.

Таким образом, в общем случае время разряда определяется как

t_р = t₀ + t_с + t_ф. (1.48)

Статистическое время запаздывания разряда зависит от напряжения между электродами, материала электрода и состояния его поверхности, интенсивности внешнего ионизатора. В резконеоднородных полях t_с невелико и слабо зависит от внешней ионизации.

Время формирования разряда t_ф практически определяется суммой продолжительности лавинной, стримерной и искровой (в сантиметровых промежутках) стадий. При увеличении напряжения уменьшается время развития лавин, стримеров и искры, а следовательно, и время формирования разряда.

Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называется вольт-секундной характеристикой изоляции (ВСХ).

Рис. 1.18. Параметры грозового импульса и время разряда:
t_ф – длительность фронта импульса; t_и – длительность импульса;
t_р – время запаздывания разряда

Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависят от значения напряжения, вольт-секундные характеристики зависят от формы импульса. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных конструкций установлен стандартный грозовой импульс 1,2/50 мкс (рис. 1.18).

Для экспериментального определения вольт-секундной характеристики на исследуемый промежуток подаются импульсы стандартной формы. При каждом значении максимального напряжения импульса производится серия опытов.

В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная характеристика получается в виде области точек (рис. 1.19), для которой указываются кривая средних значений и границы разброса времени разряда.

Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке. Для промежутков с однородным или слабонеоднородным полем U_пр слабо зависит от t_р (рис. 1.20, кривая 1). Начиная с времени запаздывания t_р ³ 3 · 10^–7 c, разброс значений U_прсоставляет DU_пр £ 3 %, что позволяет использовать промежуток между шаровыми электродами для измерения максимальных значений напряжения.

Рис. 1.19. Построение вольт-секундной характеристики
изоляции по опытным данным (грозовые импульсы):
1 – импульсы напряжения; 2 – кривая средних значений пробивного
напряжения; 3 – границы разброса пробивных напряжений

Рис. 1.20. ВСХ защитных разрядников и изоляции:
1 – ВСХ вентильного разрядника (однородное поле);
2 – ВСХ трубчатого разрядника (резконеоднородное поле);
3 – ВСХ защищаемого объекта; 4 – импульс напряжения

Эффект полярности

В резконеоднородных полях разрядное напряжение зависит от формы электродов (степени неоднородности электрического поля) вблизи электродов. Если разрядный промежуток несимметричный, то разрядное напряжение при отрицательной полярности электрода с меньшим радиусом кривизны существенно выше, чем при положительной (рис. 1.22). Различие разрядных напряжений при разных полярностях объясняется тем, что при положительной полярности стержня электроны движутся из зоны разряда к аноду в усиливающемся поле, а остающийся вблизи электрода положительный объемный заряд увеличивает напряженность электрического поля во внешней части промежутка.

Рис. 1.22. Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами (коническое острие 30^о – плоскость): 1 – острие положительной полярности; 2 – острие отрицательной полярности

При отрицательной полярности острия (стержня) электроны движутся в дивергирующем поле, а малоподвижные положительные ионы медленно покидают зону ионизации, что приводит к образованию отрицательного заряда, затрудняющего эмиссию электронов с катода. Для развития разряда требуется значительно большее напряжение.

Вольт-секундные характеристики промежутков с резконеоднородным полем (рис. 1.20, кривая 2) имеют достаточно большую кривизну, поскольку в таких промежутках t_ф сильно зависит от значения приложенного напряжения.

Для таких промежутков при грозовых импульсах характерны большие разрядные напряжения U_р, чем при переменном напряжении промышленной частоты 50 Гц – U~.

Отношение

(1.49)

называется коэффициентом импульса и обычно относится к определенному времени разряда.

Промежутки с однородным и слабонеоднородным полями имеют К_имп = 1 практически во всем диапазоне времен разряда t_р³ 10^–7 с.

Вольт-секундные характеристики широко используются для координации изоляции высоковольтного оборудования, т. е. для защиты от воздействия грозовых и коммутационных воздействий. С этой целью параллельно защищаемому объекту включается воздушный разрядник с пологой ВСХ.

Надежная защита будет обеспечиваться, если ВСХ разрядника лежит ниже ВСХ защищаемого оборудования во всем диапазоне времен воздействующего напряжения (рис. 1.20, кривая 1).

1.2. Пробой конденсированных сред

1.2.1. Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики, обладая значительно более высокой электрической прочностью по сравнению с газами, нашли очень широкое применение в качестве высоковольтной изоляции электротехнического оборудования: трансформаторов, кабелей, конденсаторов, выключателей, разрядников и др.

Жидкие диэлектрики можно классифицировать на следующие группы:

· углеводороды минеральные – продукты перегонки нефти и каменного угля: трансформаторное, конденсаторное и другие масла;

· углеводороды растительные – касторовое, льняное и другие масла;

· хлорированные углеводороды ароматического ряда – хлордифенил, совтол;

· кремнийорганические соединения.

Кроме этого, жидкие диэлектрики могут быть полярными и неполярными:

· неполярные: r £10¹⁸ Ом×см; e = 1,8…2,5; tgd » 0,001;

· слабополярные: r »10¹¹…10¹² Ом×см; e > 2,5; tgd » 0,01;

· сильнополярные: r »10⁷…10⁸ Ом×см; e > 5; tgd > 0,1.

В промышленности имеют дело с технически чистыми жидкостями, содержащими примеси воды, газов, волокна целлюлозы, углерода, продуктов разложения не менее (10^–2…10^–3) массовых процентов.

По сравнению газами пробивные напряжения жидкостей имеют очень большой разброс. Отклонение от среднего составляет до (50…70) %, а среднее квадратичное отклонение – (10…15) %.

Определение электрической прочности масла U_пр по ГОСТ 6581-75 осуществляется в стандартном пробойнике на переменном напряжении.

На пробой жидких диэлектриков существенное влияние оказывает множество факторов, которые могут как понижать пробивное напряжение (загрязнение, увлажнение и др.), так и увеличивать его (очистка, давление, барьеры и т. д.). Для хорошо очищенных, обезгаженных жидкостей величина электрической прочности достигает 1000 кВ/см.

1.2.1.1. Влияние условий эксплуатации на электрическую прочность
жидкостей

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 776; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!