2. Разряд в однородном поле. Закон Пашена

 В промежутке с однородным полем условие самостоятельности разряда является одновременно и условием пробоя промежутка.

.

Из ранее записанного ( ) получаем

,

В этом выражении для воздуха (рисунок 4).

Рисунок 4 - Зависимость

 Эта зависимость была установлена Пашеном, поэтому его называют законом Пашена. На практике для однородного поля:

3. Измерения при высоком напряжении

 4.1 Шаровые разрядники

 Длина воздушного промежутка между электродами какой-либо формы может служить мерой напряжения, которое вызвало пробой промежутка. Поскольку пробой воздушного промежутка определяется амплитудным значением приложенного напряжения, то искровые промежутки относятся к группе амплитудных приборов.

Существуют таблицы МЭК и ГОСТ 1516.1, составленные на основании сравнения результатов исследований в различных странах. При пользовании таблицами нужно учитывать ряд особенностей. На практике возможны две схемы включения шарового разрядника: а) симметричная; б) несимметричная (рисунок 39).

Рисунок 39 - Схемы включения шаровых разрядников

 

Пробивные напряжения проводятся для нормированных диаметров шаров от 2 до 200 см. Каждому диаметру соответствует определенный диапазон расстояний, в котором обеспечивается минимальная погрешность измерений. Наибольшее расстояние между шарами не должно превышать 0,75 Д. При S>0,75 Д сильно возрастает погрешность. Производить измерения при S<0,1 Д также не рекомендуется вследствие затруднений при отсчёте S.

Все данные для t=20 С, Р=760 мм рт. ст. Для иных температур и давлений воздуха необходимо вводить поправку на плотность воздуха

,

.

Для однородного поля k=1, неоднородного поля k=0,8-1,2.

При измерении импульсных напряжений за пробивное напряжение разрядника принимают такое, при котором половина всех импульсов, приложенных к электродам разрядника, вызывает его пробой. Это напряжение называется 50% пробивным напряжением.

Методика измерений состоит в следующем. Расстояние между шарами уменьшают ступенями не более 2% от ожидаемой величины измеряемого напряжения и на каждой ступени дают по шесть импульсов.

Выбор необходимого диаметра шаров для измерения напряжений производят из того, что при S<0,5 Д разрядная напряженность составляет около 20 кВ/см.

4.2 Электростатичесие вольтметры

 Электростатическими называют приборы, в которых электроды перемещаются под действием сил поля. Из теоретической электротехники известно, что механическая сила взаимодействия двух электродов, находящихся под разностью потенциалов U, в общем виде определяется соотношением

- сила, действующая в направлении х;

С – емкость электродов.

Абсолютные вольтметры служат для измерения напряжений до 300-400 кВ, для уменьшения габаритов их обычно располагают в баке с повышенным давлением газа. Погрешность вольтметров при измерении составляет 0,01-0,4%, поэтому они применяются в качестве эталонных приборов при градуировке технических вольтметров высокого напряжения.

4.3 Роторные вольтметры

 Работают на принципе использования явления электростатической индукции и представляет собой своего рода электростатические генераторы с цилиндрическим или дискообразным ротором (рисунок 41).

В силу симметрии при вращении ротора увеличение емкостей С^//₁ С^/₂ сопровождается соответственным уменьшением емкостей С^/₁ и С^//₂ .

dС₁" = -dС₁' и С₁'+ С₁"= С₂' + С₂ " = С.

При этом на коллекторе через измерительный прибор будет протекать пульсирующий ток, среднее значение которого

.

4.4 Электронные осциллографы

Служат для изучения стационарных и переходных процессов в цепях высокого напряжения. Широко используется при изучении перенапряжений, индукционных явлений и при импульсных испытаниях. Для осциллографирования однократных, кратковременных процессов импульсных напряжений используются ЭО с горячим катодом.

Электронные осциллографы с анодным напряжением до 5 кВ и выше получили название высоковольтных. Напряжение на отклоняющих пластинах 1-2 кВ. Напряжение на модуляторе 50 В.

4.5 Делители напряжения

Делители напряжения бывают омические, емкостные и смешанные.Омический делитель напряжения (рисунок 42) представляет собой два резистора R и R , соединенные последовательно. Напряжение для измерений снимается с низковольтного плеча делителя R . Коэффициент деления

.

Закон Пашена

В промежутке с однородным полем условие самостоятельности разряда является одновременно и условием пробоя промежутка.

.

Из ранее записанного ( ) получаем

,

В этом выражении для воздуха (рисунок 4).

Эта зависимость была установлена Пашеном, поэтому его называют законом Пашена. На практике для однородного поля:

Испытательные трансформаторы (высоковольтные)

Испытательные трансформаторы как правило, изготовляются однофазными. Обмотки высокого напряжения выполняются преимущественно слоевыми. Изоляция между слоями из кабельной бумаги и цилиндров из изолирующего материала. В отличие от силовых они работают обычно непродолжительное время, в течение которого напряжение трансформатора повышается до разряда на объекте, после чего трансформатор отключается.

Испытательные трансформаторы выполняются с одним или двумя выводами. В схеме с одним выводом ВН второй конец обмотки соединяется с сердечником и баком трансформатора непосредственно через прибор (амперметр).

Эта схема (рисунок 31) позволяет производить испытания объектов в условиях, близких к эксплуатационным, т.е. с одним заземленным полюсом.

Рисунок 31 - Испытательный трансформатор с одним выводом

Рисунок 32 - Испытательный трансформатор с двумя выводами

Для получения напряжений 500-1500 кВ применяют каскадные схемы включения испытательных трансформаторов. Чаще всего применяют каскадное включение трёх испытательных трансформаторов, что даёт возможность путём несложных переключений получать также высокие напряжения трёхфазного тока с

Регуляторы напряжения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

а) регулирование напряжения должно быть плавным, в регуляторах со скользящими контактами искрение должно отсутствовать;

б) регулятор должен подавать на вход испытательного трансформатора напряжение от нуля до U_1п неискаженной синусоидальной формы;

в) мощность регулятора напряжения должна быть не меньше мощности испытательного трансформатора.

Трансформаторы и автотрансформаторы, в которых напряжение регулируется при помощи скользящих контактов плавно или ступенями, относятся к простым и дешёвым регуляторам напряжения. Применяются до 50-100 кВт.

Изоляция силовых кабелей

Изоляция жил кабеля друг от друга и от наружной металлической оболочки осуществляется с помощью слоя изолирующего материала, который должен обладать определенной механической и электрической прочностью. Чаще всего изолирующим материалом служит кабельная бумага, плотно намотанная на жилу и пропитанная минеральным маслом или маслом с добавками, увеличивающими его вязкость и стабильность.

Плотная намотка бумаги на жилу обеспечивается применением механически прочных бумажных лент толщиной 20-170 мм и шириной 10-30 мм. Бумажная изоляция перед пропиткой и в процессе пропитки должна быть тщательно высушена. Сушка ведётся под вакуумом 40-20 мм.рт.ст. для кабелей на напряжения 1-10 кВ и 0,1-0,2 - для кабелей на напряжение 110 кВ и выше при температуре 120-130 С. Вместо масла можно использовать газ при высоком давлении. При напряжении 3-35 кВ применяются также кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией.

На напряжения до 35 кВ силовые высоковольтные кабели выпускаются чаще всего трёхжильными, на напряжения 110-500 кВ и выше – одножильными.

Бумажно-масляная изоляция подвергается воздействию рабочих напряжений, коммутационных и иногда (если кабель связан с воздушными сетями) импульсных перенапряжений.

Пробой изоляции кабеля носит тепловой или ионизационный характер, и для увеличения рабочих напряженностей в кабельной изоляции возможны следующие методы:

а) регулирование поля путём применения проводящих или полупроводящих экранов, устраняющих местные увеличения напряженности, например на поверхности многопроволочных жил;

б) применение поверх изоляции каждой жилы собственных металлических оболочек или экранов из металлизированной бумаги, а также выполнение одножильных кабелей

в) градирование изоляции, позволяющее снизить напряженности у жилы кабеля или уменьшить толщину изоляции, осуществив более равномерное распределение напряженности по толщине изоляции.

г) применение масла или газа под давлением, которое затрудняет развитие ионизационных процессов и значительно увеличивает электрическую прочность бумажно-масляной или бумажногазовой изоляции.

Рисунок 23 - Распределение напряженности по толщине градированной (кривая 1) и неградированной (кривая 2) изоляции кабеля на напряжение 110

Кабели с вязкой пропиткой. Пропитка изоляции в этих кабелях выполняется масляно-канифольным компаундом. Добавка в масло канифоли (1-30% объёма масла) обеспечивает повышенную вязкость пропитывающей массы, что необходимо для предотвращения вытекания компаунда из концов кабеля и перетекания компаунда в кабелях при наклонных трассах.

Ленты бумаги плотно навиваются на жилу кабеля по спирали с зазором 1,5-3,5 мм. Зазоры необходимы для предотвращения разрывов ленты при изгибании кабеля. Прочность масла в зазоре меньше прочности бумаги, поэтому следует избегать наложения зазоров.

При напряжениях 20 и 35 кВ применяются кабели с отдельно освинцованными жилами и кабели с экранированными жилами. В этих кабелях

Маслонаполненные кабели. При напряжении 110 кВ и выше бумажная изоляция жилы кабеля пропитывается чистым дегазированным, имеющим повышенную стабильность и газостойкость маслом, находящимся в кабеле под избыточным давлением. Маслонаполненные кабели выпускаются обычно одножильными и в зависимости от давления масла бывают низкого ( до 1), среднего ( =3-5) и высокого ( =10-15) давления.

Кабели в стальных трубах с маслом или газом под давлением. Эти кабели могут конкурировать с маслонаполненными кабелями и находят применение на напряжение 110-500 кВ. Давление в трубе до 15 –ти

Газонаполненные кабели. Кабели этого типа широко применяются на напряжения 35 кВ и выше при прокладке на крутонаклонных трассах. Конструкция одножильного кабеля напоминает конструкцию маслонаполненного кабеля. Осушенный азот или азот с примесью 20% элегаза под давлением заполняет проводящий канал в центре жилы и проникает в обедненно пропитанную изоляцию

Кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией. Всё более широкое применение имеют кабели с полиэтиленовой изоляцией. Хотя допустимые напряженности в изоляции этих кабелей невелики – до 2- 2,3 кв/мм, они могут успешно конкурировать с кабелями вязкой пропитки и выпускаются на напряжение до 35 кВ.

Кабельные муфты. Соединение отдельных участков кабелей между собой и разделка концов осуществляется с помощью соединительных и концевых кабельных муфт.

Рисунок 26 - Маслонаполненный кабель среднего давления на напряжения 110-220 кВ: 1 – маслопроводящий канал; 2 – жила; 3 и 5 – экраны из полупроводящей бумаги; 4 – изоляция; 6 – свинцовая оболочка;

7 – усиливающие и защитные покровы

Изоляция силовых высоковольтных трансформаторов

Внутренняя изоляция трансформаторов, т.е. изоляция обмоток, обводов и других деталей, находящихся под напряжением и расположенных внутри корпуса (бака трансформатора), подразделяется на главную и продольную.

Главная изоляция обеспечивает изоляцию обмоток разных напряжений и фаз друг относительно друга и относительно заземленных частей (магнитопровода бака), продольная включает изоляцию между витками, катушками, отводами и другими элементами одной и той же фазы.

Рисунок 30 - Схема главной изоляции обмотки силового трансформатора

 

Основной изолирующей средой, применяемой в высоковольтных силовых трансформаторах, является трансформаторное масло в комбинации с твёрдыми материалами. Твердые материалы используют в виде покрытий, изолирования или барьеров. Для того чтобы барьеры были эффективны, они должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В проходных изоляторах, где электрическое поле в основном радиальное, это без труда достигается путём применения цилиндрических барьеров. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы.

В трансформаторах применяют в основном три типа барьеров, показанных на рисунке 30: цилиндрический барьер 1, плоскую шайбу 2 и угловую шайбу 3. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В качестве примера показан эскиз изоляции трансформатора 110 кВ.

Виды ионизации

а) ионизация при столкновении (ударная ионизация). Энергия частицы, движущейся в однородном поле

W=qEx,

где q – заряд частицы;

Е – напряженность электрического поля;

х – путь пройденной частицы перед столкновением.

Если условием ионизации является W>Wu, то учитывается что Wx=qUx, тогда получим значение пути Хк, который частица должна пройти до столкновения с последующей ионизацией.

 

;

б) фотоионизация в объеме газа.

Фотоионизация – образование свободных зарядов под действием коротковолнового излучения.

Необходимо выполнять условие

 

, или ,

где с – скорость света;

и - соответственно частота и длина волны излучения;

h – постоянная Планка.

Фотоионизация возможна также в результате излучения самих молекул, участвующих в разряде (рекомб., фотон);

в) термическая ионизация.

Она включает все процессы ионизации, обусловленные тепловым состоянием газа. При температуре 20 С вероятность термоионизации ничтожно мала - 10 лет;

г) ионизация на поверхности электродов (поверхностная ионизация).

Происходит при ионизации в объёме газа также освобождёнными электронами с поверхности электродов (эмиссия).

При этом для освобождения электронов с поверхности затрачивается энергия поверхностной ионизации – энергии выхода электрона.

Эта энергия может быть сообщена:

а) за счёт термоэлектронной эмиссии (нагревание катода);

б) бомбардировкой катода частицами с высокой энергией (положительными ионами);

в) облучением поверхности катода коротковолновым излучением (фотоэлектронная эмиссия);

г) наложением сильного внешнего электрического поля (электростатическая эмиссия). Для её осуществления необходимо Е=1000кВ/см, что в практике не встречается.