Улучшение связей.

Можно увеличивать устойчивость, уменьшая передаточные сопротивления между машинами, выдающими мощность в сеть; этого можно достичь несколькими способами: установкой последовательно с линией конденсаторов; при этом индуктивность линий может быть теоретически сведена к нулю, но из практических соображений ее обычно уменьшают не более чем на половину. Этот способ эффективен для длинных линий, имеющихся в Швеции, США и СССР; использованием расщепленных проводов; это уменьшает погонную индуктивность воздушных линий приблизительно на 20%; такие провода приняты повсюду для напряжений 400 кВ и более (фаза, состоящая из двух, трех или четырех проводов), что также значительно уменьшает эффект короны; включением на параллельную работу нескольких линий —эффективный способ, но слишком дорогой, если не компенсируется экономией за счет уменьшения сечения проводов и улучшения поддержания напряжения или не оправдывается другими преимуществами (увеличением надежности питания). Линии или кабели, образующие сеть, могут быть также оборудованы автоматами, позволяющими установить, по крайней мере частично и быстро, значения передаточных сопротивлений. Если напряжения в узлах сети, близких к аварийной линии, более реагируют на полное короткое замыкание, чем на отключение этой линии от сети, то становится понятным, что из двух передаточных матриц сопротивлений сети, соответствующих двум «ненормальным» состояниям (полному короткому замыканию и отключению линии), вторая более близка к матрицам полных сопротивлений неповрежденной сети. Это является соображением, на основе которого построена последовательная работа автоматов: быстрое селективное отключение связи, на которой произошла авария, и даже, если это возможно, отключение одного только фазного провода, если авария произошла между фазой и землей (однофазное отключение); — повторное введение в работу связи без предварительного контроля, что дает выигрыш, поскольку в передающих сетях более чем 90% коротких замыканий являются преходящими. Обычно ограничивают автоматическое повторное включение однофазными короткими замыканиями, поскольку трехфазные короткие замыкания очень редко являются преходящими; «окончательное» селективное отключение связей, подверженных повреждениям, которые вероятнее всего бывают неустраненными короткими замыканиями (некоторые преходящие короткие замыкания имеют длительное время затухания, поэтому их надо устранять, не дожидаясь исчезновения).

Очевидно, важно как можно быстрее ускорить технологические возможности всех переключений, поскольку при этом уменьшаются времена ускорения машин и, следовательно, угловые которые зависят от этих времен.

Улучшение архитектуры сетей.

Схема эксплуатации сети может способствовать устойчивой и надежной работе. Как указывалось, иногда целесообразно включать на параллельную работу несколько линий для уменьшения переходных сопротивлений, в этом случае при отключении одной из них другие не должны быть перегружены настолько, чтобы ставить под угрозу устойчивость сети. В известной степени можно воздействовать на перераспределение производства между различными группами и провести перераспределение нагрузок. Различие в инерционности генераторных групп приводит к тому, что онй, получив наброс нагрузки, приобретают различные ускорения, что может привести к выпадению из синхронизма. Эксплуатационная схема сети должна учитывать эту опасность, объединяя «электрически» (связи с малыми сопротивлениями) только группы, имеющие близкие значения постоянных инерции. При перераспределении нагрузок лучше предусматривать больший предел надежности для групп с малой инерцией, чем для остальных. При увеличении кинетической энергии группы увеличивается устойчивость, поскольку одно и то же изменение мощности скажется в меньшем изменении угловых скоростей. Но пуск в работу большего числа групп для выработки одной и той же общей мощности и работа на холостом ходу некоторых групп являются дорогостоящими мероприятиями. Использование синхронных компенсаторов также является дорогостоящим мероприятием. Его применяют во Франции только в том случае, если необходимо одновременно увеличивать устойчивость и регулировать напряжение. Работа на повышенном напряжении способствует улучшению устойчивости (см. рис. 3.1). Необходимо учитывать, что для системы Франции, где станции распределены по всем районам, существенным является условие, чтобы «крутизна напряжений» вдоль линий (изменения модуля напряжения) была возможно меньшей. Выполнить это условие можно регулированием реактивной мощности при учете ограничений экономического характера.

Проблема устойчивости актуальна для длинных линий, предназначенных для: передачи энергии от источников (главным образом гидравлических), удаленных от центров потребления (пример: Швеция, Канада, СССР и т. д.); введения нового диапазона напряжения; линии новой сети имеют пропускные способности в несколько раз большие, чем у ранее существующих сетей; итак, необходимо запретить переносы нагрузки на эту сеть. Нельзя не уделять внимания проблеме устойчивости и в сильно разветвленных сетях. Она возникает, как только мощная связь аварийно выходит из работы, что вызывает опасность перегрузки соседних линий. Проблема устойчивости проявляется и в часы минимальной нагрузки, когда сеть не потребляет реактивной мощности и даже может ее выдавать. В этих случаях для поддержания напряжений на генераторах уменьшают их возбуждение, увеличивая этим внутренний сдвиг фаз. В период минимума нагрузки группы ТЭС, находящиеся недалеко от потребителей (и вследствие этого обязанные потреблять реактивную энергию, вырабатываемую кабельными сетями), могут работать вблизи предела статической устойчивости. Поэтому часто устанавливают специальные регуляторы, ограничивающие внутренние сдвиги фаз этих машин. Надо отметить также, что включение параллельно линиям переменного тока линий постоянного тока, быстродействие которых достаточно велико, может выгодно использоваться для улучшения устойчивости всей системы в целом.

92. .Проводимость жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей; иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости.

Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.

Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малой удельной проводимостью.

Полярные жидкости по сравнению с неполярными всегда имеют повышенную удельную проводимость, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой удельной проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей дает заметное повышение их удельного объемного сопротивления.

Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. С увеличением температуры в результате уменьшения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Эти факторы влияют на увеличение удельной проводимости: , где  – постоянные, характеризующие материал.

Основные понятия.

Пробой – потеря электрической прочности под действием напряжённости

электрического поля – может иметь место как в образцах различных диэлектриков

и систем изоляции, так и в электроизоляционных системах любого

электротехнического устройства – от мощных генераторов и высоковольтных

трансформаторов до любого бытового прибора. Сочетание в системах изоляции

материалов, разных по электрической прочности, может приводить к серьёзным

осложнениям в эксплуатации самых разнообразных электротехнических устройств,

особенно высокого напряжения, где изоляция работает в сильных электрических

полях и может возникнуть её пробой.

Причины пробоя бывают различными; не существует по этому единой универсальной

теории пробоя. В любой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала

повышенной проводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое

замыкание в данном электротехническом устройстве, создающее аварийную

ситуацию, по существу выводящую это устройство из строя. Однако в этом

отношении пробой может проявлять себя в разных системах изоляции по –

разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал пробоя сохраняет высокую

проводимость после выключения, приведшего к пробою напряжения, явление

протекает необратимо. В жидких и газообразных диэлектриках вследствие высокой

подвижности их частиц электрическое сопротивление канала пробоя

восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.

Особенности пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидких диэлектриков может быть вызван разными процессами,

определяющимися в основном состоянием жидкости, степенью её дегазации и

чистотой. Наиболее часто в жидком диэлектрике встречается влага. Газы,

также, как и вода, могут находиться в жидкости в разных состояниях от

молекулярного до сравнительно крупных включений – пузырьков. Как и в газах, в

жидкостях в неоднородных электрических полях наблюдаются формы пробоя:

неполный пробой – корона, искровой и дуговой разряд. Установлено, что

развитие пробоя начинается с формирования оптических неоднородностей в

межэлектродном пространстве: в местах образования будущих каналов пробоя

жидкость становится малопрозрачной. Наиболее чёткие фотографии позволяют

обнаружить густое переплетение микроскопических тёмных нитей – развивающийся

пробой древовидной формы. Высказываются предположения, что такие оптические

неоднородности связаны с образованием в жидкости газовых пузырей, вызванных

её разогревом токами эмиссии, автоионизацией молекул и ёмкостными токами.

Однако такая гипотеза пока количественно не проанализирована и не приобрела

формы теории.

В теории А.Геманта рассматривается пробой жидкого диэлектрика, содержащего

влагу в виде эмульсии. Согласно расчётам Геманта под действием электрического

поля капельки влаги вытягиваются, приобретая форму эллипсоидов. При

достаточно большой напряжённости поля вытянутые эллипсоиды соединяются между

собой, в результате чего в образовавшемся при этом канале происходит разряд.

Экспериментально установлено, что при повышении напряжения в жидкости,

содержащей растворённый газ, перед пробоем появляются газовые пузырьки. В

результате пробивное напряжение таких жидкостей значительно падает с понижением

давления или с приближением к температуре кипения, то есть в условиях,

облегчающих образование газовых пузырьков. Причины образования газовых

пузырьков рассматривались в теориях Н.Эдлера, П.А.Флоренского,

Ф.Ф.Волькенштейна. Согласно теории Эдлера, вблизи электрода имеется слой

жидкости с повышенным удельным сопротивлением, содержащий микроскопические

зародыши газовых пузырьков. При прохождении тока через этот слой в сильном

электрическом поле выделяется такое количество тепла, что при некотором

напряжении указанный слой нагревается до температуры кипения, происходит

интенсивное газовыделение и наступает пробой. В электроизоляционных маслах,

температура кипения которых выше температуры разложения (110 – 120⁰

С), появление газовых пузырьков перед пробоем может быть связано не с испарением

жидкости, а с химическим разложением под влиянием нагревания. Кроме того,

образование пузырьков и их рост могут происходить под действием газового

разряда. В этом случае повышается удельный вес, возрастает вязкость масла,

увеличивается температура вспышки. Обработка масел воздействием разрядов

называется вольтализацией и находит применение в технике.

В работе, выполненной под руководством Я.И.Френкеля, изучался пробой жидких

диэлектриков, содержащих металлические частицы. Было установлено, что сначала

частицы приобретают положительный заряд, движутся к катоду, покрывая его

толстым рыхлым слоем. Приобретая у катода отрицательный заряд, многие из них

движутся к аноду, а с течением времени всё пространство между электродами

оказывается заполненным агрегатами частиц, образующих мостики. После этого

может произойти пробой. После пробоя частицы с электродов осыпаются на дно

сосуда, а между электродами наблюдается тонкая нить – мостик из частиц,

сопротивление которой составляет около 25 Ом. Мостик сохраняется около часа,

а при пропускании тока – и более длительное время.

Изучение пробоя жидких диэлектриков, содержащих влагу, растворённый газ,

примеси твёрдых частиц, весьма важно для практики.

94. Пробой твердых диэлектриков. Особенности развития пробоя в зависимости от материала изолятора.

иэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Е_пр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (U_пр) и измеряют чаще всего в киловольтах.

Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Е_пр = U_пр/h, (1.25) где h – толщина диэлектрика.

Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.

Пробой газа обуславливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному и резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля – электрохимический пробой.

Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.

1.4.2 Пробой газов

Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

W = q·U_, (1.26)

где q – заряд, U_ – падение напряжения на длине свободного пробега _.

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является:

W W_и. (1.27)

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.

Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа.

Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.

Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.

При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.1.2.

Рис.1.2. Зависимость электрической прочности газа от давления

В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

1.4.3 Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.

1.4.4 Пробой твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2. электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3. тепловой (электротепловой) пробой;

4. электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10^-7 – 10^-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.

Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:

U²Ctg= S(T_раб – T₀), (1.28)

где U – напряжение, В; U²C– реактивная мощность, В·А; – угловая частота, с^-1; С – емкость изолятора, Ф; tg– тангенс угла потерь при рабочей температуре; – коэффициент теплоотдачи , Вт/м²·К; S – площадь поверхности изолятора, м²; T_раб и T₀ – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.

Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия.

Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя:

(1.29)

где  _т – удельная электропроводность диэлектрика, Вт/м·К; f – частота, Гц; tg₀ – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; _tg – температурный коэффициент tg, 1/K; (cs) – поправочная функция аргумента с, зависящая от теплопроводности металла электродов, коэффициента теплопередачи из диэлектрика в металл, толщины диэлектрика и электродов.

Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.

Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, т.к. он связан с явлением электропроводности, приводящем к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

95. Виды атмосферных перенапряжений. Электрические параметры молнии. Зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов.