Контрольные вопросы

1. Каковы особенности работы испытательных трансформаторов?

2. Зачем в цепях высокого напряжения испытательных установок устанавливаются защитные сопротивления? Какова их величина?

3. Чем определяется мощность испытательного трансформатора? Какие трансформаторы считаются мощными?

4. Почему в испытательных установках заземляют один из выводов обмотки высокого напряжения?

5. Каковы требования к измерительным шаровым разрядникам?

6. Как производится измерение высокого напряжения шаровым разрядником? Какова погрешность измерений?

7. Как рассчитывается и учитывается при измерениях поправка на атмосферные условия, отличных от нормальных?

8. Для чего производится градуировка испытательных установок?

9. Какие атмосферные условия называют нормальными?

10. В чем заключается недостаток шарового разрядника как измерительного устройства?

11. Почему в качестве измерительного устройства приняты шаровые разрядники, а не разрядники другой формы?

Работа № 2

Разрядное напряжение воздушных промежутков в резко неоднородном электрическом поле

Цель работы: ознакомиться с эффектом полярности электродов игла - плоскость и методом упрочнения такого промежутка.

Пояснения к работе

Большинство высоковольтных конструкций имеет острые края, заусеницы, резкие переходы одного размера в другой. Разрядные напряжения таких мест в значительной степени приближаются к разрядному напряжению несимметричных электродов игла - плоскость, которые обладают наименьшей электрической прочностью по сравнению с другими формами электродов.

Разрядное напряжение такого промежутка на постоянном напряжении зависит от полярности электродов. При постепенном увеличении напряжения, приложенного к промежутку игла - плоскость, ударная ионизация возникает вблизи иглы, где напряженность электрического поля наибольшая. В результате ионизации в области ионизации возникает большое количество свободных электронов и положительных ионов.

При положительной игле и отрицательной плоскости (рис. 2.1,а) электроны, обладающие большой подвижностью, мгновенно уходят к положительной игле и нейтрализуются на ней. Малоподвижные положительные ионы образуют в промежутке объемный положительный заряд.

Напряженность поля Е, созданная зарядами на электродах (внешним источником), направлена от иглы к плоскости. Положительный объемный заряд создает свое поле напряженностью Е_об. Вблизи иглы Е_об направлена навстречу Е, а в направлении плоскости – совпадает с Е. Результирующая напряженность Е_рез = Е + Е_об.

а б

Рис. 2.1. Напряженность электрического поля в промежутке игла - плоскость: а – положительная игла - отрицательная плоскость, б – отрицательная игла - положительная плоскость.

Из рис. 2.1,а видно, что объемный положительный заряд уменьшает напряженность поля вблизи иглы и увеличивает ее в остальной части промежутка. При таком распределении напряженностей поля затрудняется образование видимой короны на конце иглы, а развитие процесса ионизации в сторону плоскости происходит довольно легко, так как напряженность поля Е_рез здесь повышенная. Поэтому пробой промежутка происходит при относительно невысоком напряжении.

При отрицательной полярности иглы распределение напряженностей поля в промежутке иное (рис. 2.1,б). Электроны, возникшие в результате ударной ионизации вблизи иглы, передвигаются к плоскости. Однако, уйдя из области большой напряженности поля, теряют свою скорость. Значительная их часть захватывается молекулами кислорода, в результате чего образуются малоподвижные отрицательные ионы, рассеянные в пространстве.

Повышение результирующей напряженности Е_рез. возле острия иглы приводит к образованию видимой короны уже при небольшом приложенном напряжении. Снижение напряженности поля в средней части промежутка затрудняет развитие процесса ионизации в направлении плоскости, поэтому пробивное напряжение промежутка увеличивается по сравнению с промежутком положительная игла – отрицательная плоскость в 2 - 2,5 раза.

Очевидно, что при приложении к такому промежутку переменного напряжения низкой частоты полярность электродов будет периодически меняться, поэтому пробой промежутка при плавном подъеме напряжения наступит в тот момент, когда игла положительна. Следовательно, прочность промежутка на переменном напряжении невелика.

Увеличение электрической прочности промежутка игла - плоскость может быть достигнуто применением барьера - пластины из диэлектрика (электрокартон, гетинакс и др.), которую располагают в промежутке между электродами перпендикулярно силовым линиям поля. Изменение пробивного напряжения промежутка при наличии барьера вызвано не собственной прочностью барьера, а изменением картины электрического поля в промежутке вследствие осаждения ионов на барьере.

При положительной полярности иглы положительные ионы, перемещаясь к плоскости, равномерно растекаются по его поверхности тем равномернее чем дальше от острия расположен барьер (рис. 2.2,а).

Между положительно заряженным барьером и отрицательной плоскостью образуется поле, близкое к однородному. Это способствует повышению электрической прочности промежутка барьер - плоскость. Повышению пробивного напряжения способствует также ослабление поля между иглой и барьером, так как и игла, и барьер имеют одинаковую полярность.

При расположении барьера в непосредственной близости от положительного острия роль его уменьшается вследствие резкой неравномерности распределения зарядов на барьере. Напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы ионизационные процессы проходили по другую сторону барьера.

Рис. 2.2. Напряженность электрического поля в промежутке игла – плоскость с барьером: а – положительная игла - отрицательная плоскость, б – отрицательная игла - положительная плоскость.

Если барьер расположить близко к плоскости, то пробивное напряжение определяется уже не прочностью промежутка барьер - плоскость, а прочность промежутка игла - барьер, поэтому по мере приближения барьера к плоскости его влияние постепенно уменьшается.

При отрицательной полярности острия электроны, двигаясь от острия, попадают на барьер, теряют скорость, и большинство из них становятся отрицательными ионами. На барьере в этом случае появляется концентрированный отрицательный заряд, увеличивающий напряженность поля не только между положительным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внешнем пространстве (рис. 2.2,б). Степень влияния отрицательного концентрированного заряда будет тем больше, чем дальше от острия установлен барьер.

Поэтому при отрицательной полярности острия увеличение разрядного напряжения в промежутке при наличии барьера будет незначительным, а если барьер установлен ближе к плоскости, то разрядное напряжение будет даже меньше, чем в промежутке без барьера. При расположении барьера в средней части промежутка разрядные напряжения при отрицательной и положительной полярностях близки.

Таким образом, барьеры в промежутке устанавливаются на таком оптимальном расстоянии от острия, при котором разрядные напряжения максимальны: (0,15 - 0,3) длины промежутка между электродами. Причем при положительной полярности иглы разрядное напряжение может увеличиться в 2 – 2,5 раза по сравнению с промежутком без барьера, а при отрицательной полярности иглы – в 1,2 – 1,3 раза.

На рис. 2.3 приведена зависимость пробивных напряжений промежутка игла - плоскость с барьером при обеих полярностях иглы от расположения барьера.

Упрочняющий эффект барьеров имеет место при постоянном, переменном и импульсном напряжениях. Однако при импульсных напряжениях барьерный эффект выражен слабее, так как барьер не успевает за короткое время зарядиться.

В связи с изложенным выше, барьеры подучили широкое распространение в изоляционных конструкциях с резко неоднородным полем. Барьеры установленные в масле (внутренняя изоляция силовых трансформаторов, проходных изоляторов и др.) также значительно повышают электрическую прочность такого промежутка.

Рис.2.3. Разрядные напряжения промежутка игла-плоскость:

1 – без барьера; 2 – с барьером.