Основные сведения об электрических процессах в диэлектриках

Лекция №1

Введение. Предмет и задачи дисциплины

Электроэнергетика нашей страны не мыслится без применения высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния.

Считается экономически целесообразным иметь 1 кВ напряжения на 1 км линии, т.е. линия электропередачи протяжённостью 500 км, должна выполняться на 500 кВ. Конечно, это весьма приближённая оценка, но она позволяет достаточно просто оценить требуемый уровень напряжений, необходимый для передачи электроэнергии в масштабах нашей страны. В настоящее время протяжённость электрических сетей высокого напряжения (35-330кВ) превышает 700 тыс. км, а общая длина электропередачи сверх высокого напряжения (500-750 кВ) составляет 30 тыс. км. Имеются линии электропередачи ультравысокого напряжения 1150 км.

Единичная мощность установленных на электростанциях турбогенераторов возросла до 1000 – 1200 МВт. Мощность отдельных тепловых электростанций достигла 3800 МВт, атомных 3000 МВт и гидравлических – 6000 МВт.

Такая концентрация мощностей требует высокой надёжности работы линий электропередачи и всего комплекса оборудования: генераторов, трансформаторов, коммутационной аппаратуры, компенсирующих устройств и др. Решение этой задачи обеспечивается, в основном, надёжной работой изоляции электрических систем и оборудования при всех постоянно воздействующих на неё или кратковременно возникающих напряжениях.

Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами различных фаз линии электропередачи), внешние поверхности твёрдой изоляции (изоляторов), промежутки между контактами разъединителей и т.п.

К внутренней изоляции относится изоляции обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д.

Внутренняя изоляция представляет собой комбинацию твёрдого и жидкого диэлектриков (например, в трансформаторах) или твёрдого и газообразного диэлектриков (например, в герметизированных распределительных устройствах с элегазовой изоляцией).

Основной особенностью внешний (воздушной) изоляции является зависимость её электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки существенно влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки.

Электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий. Её особенностью является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Очень трудно избежать возникновения в изоляции частичных разрядов. Вследствие изменения температурного режима, вызванного колебаниями тока нагрузки, в бумажно-масляной изоляции кабеля образуются газовые пузырьки, в которых возникают частичные разряды.

На острых кромках электродов, на крепёжных деталях аппаратуры возникает коронный разряд. Под действием этих разрядов изоляция разрушается, загрязняется продуктами разложения.

Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается, что может привести к тепловому пробою.

Воздушная (внешняя) изоляция после пробоя полностью восстанавливается, если снимается напряжение или гаснет дуга в месте пробоя.

Пробой твёрдой и комбинированной изоляции – явление необратимое, приводящее к выходу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, однако, пробой приводит к ухудшению их характеристик.

Вследствие этого состояние внутренней изоляции контролируется во время эксплуатации, для предотвращения аварийного отказа электрооборудования.

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействием рабочего напряжения. В процессе эксплуатации возможны повышения напряжения сверх рабочего – внутренние перенапряжения. Источником их являются электродвижущие силы генераторов системы, а причиной – нормальные или аварийные коммутации, сопровождающиеся колебательными процессами или резонансными явлениями в системе.

Помимо внутренних перенапряжений на изоляцию электроустановок могут воздействовать грозовые перенапряжения, причиной возникновения которых являются удары молнии в электроустановки.

Воздушные сети вследствие большой протяжённости достаточно часто поражаются молнией. При этом на изоляции линии возникают весьма высокие напряжения, которые изоляция выдержать не может. Происходит пробой воздуха вдоль гирлянды изоляторов, переходящий в поддерживаемый источником рабочего напряжения дуговой разряд.

На линиях 3-35 кВ эффективным способом ликвидации замыканий фаз на землю является компенсация тока в месте замыкания с помощью дугогасящего реактора, включаемого между нейтральной точкой источника и землёй.

Вследствие компенсации тока и прекращения поступления энергии дуга в месте замыкания не может поддерживаться и быстро гаснет.

В электроустановках напряжением 1100 кВ и выше экономически целесообразно применять глухое заземление нейтрали. В этом случае короткие замыкания на линии ликвидируются с помощью автоматического повторного включения (АПВ). Однако АПВ не всегда оказывается успешным, поэтому существенным мероприятием, значительно сопряжающим число аварийных отключений линии, является применение грозозащитных тросов.

Помимо нарушения изоляции высоковольтных линий (ВЛ) удары молнии приводят к появлению в проводах импульсов высокого напряжения, которые, распространяясь по проводам, достигают подстанций и воздействуют на установленное там оборудование.

Внутренние перенапряжения зависят от вида коммутации, режима и характеристик электрической сети и коммутационных аппаратов.

Все виды перенапряжений как внутренние так и грозовые имеют статистический характер.

Ограничение перенапряжений в электрических установках производится с помощью защитных аппаратов: трубчатых и вентильных разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН).

Взаимное согласование значений воздействующих напряжений, характеристик защитной аппаратуры и электрических характеристик изоляции, обеспечивающее надёжную работу и высокую экономичность электрической установки, представляет собой главную технико-экономическую задачу проектирования электроустановки и называется координацией изоляции.

Таким образом, в курсе техники высоких напряжений (ТВН) просматриваются электрические характеристики внешней и внутренней изоляции электроустановок, эксплуатация изоляции при рабочем напряжении, грозовые и внутренние перенапряжения и их ограничение, координация и методы испытания изоляции, а также изоляционные конструкции линий электропередачи и основных видов электрооборудования.

Основные сведения об электрических процессах в диэлектриках

Лекция№2

Электрофизические процессы в газах

2.1. Движение заряженных частиц в газе.

Электрическая прочность газовой изоляции определяется электрофизическими процессами, происходящими в газе, и связанными с концентрацией и подвижностью заряженных частиц в газе.

Концентрация частиц газа (атомов или молекул) определяется как

2.1

где р - давление газа, Па;

Т – температура газа, К;

к – постоянная Больцмана (к=1.38*10^-23 Дж/К)

Частицы газа взаимодействуют при столкновениях друг с другом. Если число столкновений на единице длины (1см) обозначить Z. Средняя длина свободного пробега =1/Z.

Из-за хаотичного движения частиц действительные длины их пробегов отличаются от средней. Вероятность того, что длина свободного пробега равна или больше х

(2.2)

В электрическом поле на заряженные частицы действует сила

, (2.3)

где е – заряд частицы, Кл;

Е – напряжённость электрического поля, В/м.

Импульс заряженной частицы в направлении электрического поля МV (М- масса частицы; V –скорость дрейфа частицы в электрическом поле)

(2.4)

где - частота столкновений, испытываемых частицей, 1/с;

(2.5)

, (2.6)

где  - время между двумя последовательными столкновениями;

 - среднеарифметическая скорость теплового движения частицы.

(2.7)

где - подвижность частицы в электрическом поле.

Поскольку   р при Т=const

Для ионов линейная зависимость скорости дрейфа и от напряжённости поля (2.7) сохраняется, пока скорость дрейфа меньше скорости теплового движения,

поэтому К_и=const.

Подвижность электронов К_э в отличие от подвижности ионов не является постоянной и зависит от напряжённости электрического поля.

Если приближённо принять, что кинетические энергии направленного движения ионов и электронов в электрическом поле равны, то

(2.8)

Поскольку масса электрона м_э=9.1*10^-28г, а масса протона примерно равна массе нейтрона м_р=1.67*10^-24г, что соответствует 1840м_э. Основной составной частью воздуха является молекулярный азот N₂, следовательно

Движение заряженных и незаряженных частиц газа может быть обусловлено градиентом концентрации частиц. В процессе теплового движения частицы перемещаются из области высокой концентрации в области меньшей концентрации. Процесс этот называется диффузией

(2.9)

где j - поток частиц,

D – коэффициент диффузии.

(2.10)

Так как, средняя длина свободного пробега части обратно пропорциональна давлению, то при Т=const

(2.11)

Коэффициент диффузии зависит от массы диффундирующих частиц. Коэффициент D электронов в воздухе при нормальных атмосферных условиях составляет 12.7 см²/с, а ионов 0.05 см²/с.

Из (2.7) следует, что подвижность ионов

(2.12)

а отношение

(2.13)

Учитывая, что кинетическая энергия теплового движения

м_и²/2=(3/2)кТ

(2.14)

Формула (2.14) называется соотношением Эйнштейна. Совместная диффузия электронов и ионов называется амбиполярной диффузией

(2.15)

Анализ показывает, что

и .

2.2. Возникновение и исчезновение заряженных частиц в газе.

Возбуждение атома возникает, когда атому сообщается дополнительная энергия и электроны переходят на более высокие орбиты. Энергия необходимая для возбуждения составляет всего 12 эВ (1эВ = 1.610^-19Дж).

Среднее время пребывания атома в возбуждённом состоянии составляет 10^-8с. Возвращение частицы в нормальное состояние сопровождается излучением фотона. Когда электроны удаляются от ядра настолько, что взаимосвязь его с ядром практически исчезает, он становится свободным. Происходит ионизация атома, образуются две частицы: положительный ион и электрон. Энергия необходимая для ионизации называется энергией ионизации. Положительный ион также может быть ионизован, но для этого требуется существенно большая энергия.