ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 1_3

Лекция 3

Слайд 1.

Рассмотрим особенности электрического разряда в неоднородном поле.

Вкачестве первой конфигурации выберем коаксиальные электроды. На рисунке слева построена зависимость максимальной напряженности электрического поля (напряженности на поверхности внутреннего электрода) в зависимости от отношения радиусов внешнего и внутреннего электродов ε. При этом минимальное значeние Emax имеет место при ε=e=2.718. Пусть E0 напряженность начала ионизационных процессов (физическая характеристика газовой среды). При этом как видно из рисунка электрический разряд может начаться в случае малых ε( левая точка пересечения -1 горизонтальной линии E0 и кривой Emax ) или при больших ε (правая точка пересечения - 2). При этом дальнейшие сценарии для случаев 1 и 2 различны. В первом случае появление ионизованной области вблизи поверхности внутреннего электрода приведет к эффективному увеличению радиуса последнего и следовательно к уменьшению ε. За этим согласно графику последует дальнейшее возрастание напряженности электрического поля , возрастание размера ионизованной области и перекрытия промежутка

– пробой.

Вслучае 2 появление ионизованной области и соответствующее уменьшение ε приведет как видно из графика к снижению напряженности электрического поля и полному или частичному прекращению ионизации. При этом после удаления заряженных частиц (дрейф, диффузия, конвективное движение) ионизационный процесс начнется снова. Таким образом, во втором случае мы имеем незавершенный электроразрядный процесс, называемый коронным разрядом или короной. При коронном разряде ионизационная область сосредоточена вблизи электрода с малым радиусом кривизны и не распространяется на большие удаления от него. Полного перекрытия газового промежутка при этом не происходит. Для перекрытия требуется увеличить приложенное напряжение.

Слайд 2.

На процессы развития электрического разряда в неоднородном поле существенное влияние оказывает полярность электродов. Напряжение пробоя в случае отрицательного знака электрода малого радиуса оказывается

существенно больше, чем, если бы криволинейный электрод нес положительный потенциал. Физической причиной данного эффекта является особенности формирования объемного заряда вблизи поверхности электрода, определенным образом искажающего распределение электрического поля.

На левых рисунках данного слайда приведено распределение объемного заряда вблизи острия и график зависимости электрического поля от расстояния от электрода. Поскольку электрод имеет положительный знак, то эмиссия электронов из него невозможна и ионизационые процессы начнутся на некотором удалении от него. При этом электроны, как легкие частицы, быстро переместятся на анод и будут там нейтрализованы. Относительно медленные положительные ионы усилят внешнее поле в области впереди острия, что облегчит развитие ионизации и распространение ионизационной области в направлении катода.

Рассмотрим теперь случай отрицательного острия (правые рисунки на слайде). Электроны первичной лавины, образующиеся непосредственно вблизи поверхности, острия быстро покидают ионизационную область и двигаясь в область слабого поля по мере удаления от острия захватываются нейтральными частицами. Оставшийся положительный объемный заряд ионов ослабляет поле впереди острия, чем затрудняет развитие новых лавин и распространение ионизационной области в направлении к аноду. Поэтому для перекрытия промежутка с отрицательным острием при прочих равных условиях потребуется более высокое приложенное напряжение.

Слайд 3.

Предыдущие рассуждения иллюстрируют графики экспериментальных зависимостей пробивных напряжений для промежутка острие-плоскость и промежутка с однородным полем. Обратим внимание на то, что электрическая прочность промежутка с однородным полем существенно выше, чем в случае электродов с резко неоднородным распределение полей.

Слайд 4.

Мы уже кратко упоминали, о том что пробой завершается после формирования так называемого главного разряда. Рассмотрим данное явление подробно.

Ранее мы отметили, что стримерный канал представляет собой плазменное образование, содержащее положительные ионы и электроны. При этом основные ионизационные процессы происходят в головке стримера вследствие фотоионизациии. Плазма стримера обладает некоторой электропроводностью, поэтому потенциал электрода с которого стартовал стример частично выносится в глубь промежутка.Поэтому еще до пересечения стримером промежутка при приближении егок противоположному электроду поле в оставшемся между ними промежутке усиливается многократно. Интенсивность ионизации в нем становится настолько большой, что образуется плазма с высокой проводимостью, которая становится продолжением анода. В результате область усиления поля начинает перемещаться в обратном направлении одновременно с распространением хорошо проводящей плазменной области (канала обратного разряда). По мере продвижения области усиленного поля 2 на рис. слайда вдоль канала стримера к катоду стримерный канал замещается каналом обратного разряда. Скорость распространения зоны перестройки стримерного канала в канал обратного разряда составляет величину порядка 107 м/с. Процесс пробоя завершается полным перекрытием каналом обратного разряда газового промежутка. При наличии источника питания достаточной мощности канал обратного разряда разогревается, еще больше, увеличивая свою электропроводность и разряд переходит в дуговую стадию. Импульсная дуга носит название искры или искрового разряда.

Слайд 5.

Рассмотрим особенности очень длинных (S=5-20 м) газовых промежутков с резко неоднородным полем. Такие условия возникают в технике грозозащиты, оборудовании линий электропередачи сверхвысокого и ультравысокого напряжения. Особенностью длинных промежутков с резко неоднородным полем является весьма низкая средняя напряженность электрического поля порядка 1-2 кВ/см. Вспоминая, что электрическая прочность воздуха составляет 30 кВ/см легко понять, что механизм пробоя для описанных условий будет несколько отличаться о рассмотренных ранее.

Мы уже отмечали, что температура проводимость стримера относительно невелики. Поэтому если в процессе подъема напряжения на криволинейном электроде головка стримера попадает в область слабого поля, что неизбежно в случае длинных промежутков, то процесс ионизации впереди стримера приостанавливается. Вместе с этим в процессе увеличения

напряжения по телу стримера и криволинейному электроду протекает ток, обусловленный конечной емкостью электрода и стримера по отношению к земле. Если этот ток протекает в течение некоторого времени, то это ведет разогреву стримерной области, ее термической ионизации и существенному росту электропроводности. В результате образуется хорошо проводящая плазменная область, называемая лидером. Лидер становится хорошо проводящим продолжением острия и практически полностью переносит потенциал криволинейного электрода в глубь промежутка. Далее процесс возобновляется образованием нового стримера, но уже с позиции более близкой к противоположному электроду, т. в более сильном электрическом поле. Если рост стримера из-за недостаточного сильного поля затормозится, то вновь требуется время, чтобы нагреть плазменную область до температуры лидера (5000 К). Очевидно, что чем ближе лидер к противоположному электроду, тем быстрей происходит указанный процесс.

При приближении стримера к противоположному электроду на достаточно близкое расстояние пробой завершается обычным порядком.

Описанный механизм пробоя называется лидерным или разрядом в форме лидера.

Слайд 6.

На данном рисунке приведены экспериментальные зависимости пробивных напряжений длинных воздушных промежутков. В частности кривая 3, описывающая разрядное напряжение в промежутке стойка опоры – провод, может использоваться при проектировании линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения.

Слайд 7.

До сих пор, анализируя процессы пробоя газовых промежутков мы не принимали во внимание время приложения напряжения, считая его неограниченным. Вместе с тем в технике высоких напряжений представляют интерес вопросы электрической прочности при воздействии на газовые промежутки импульсов высокого напряжения, возникающие в частности в результате грозовой деятельности или при коммутациях в высоковольтных сетях. Амплитуды воздействующего напряжения в этих случая могут в

несколько раз превосходить напряжения нормального эксплуатационного режима.

Общая тенденция влияния длительности приложения напряжения сводиться к увеличению напряжения разряда при уменьшении времени приложения напряжения. Объяснить эту тенденцию попытаемся с помощью рисунка, представленного на данном слайде.

Время, необходимое для формирования пробоя складывается из нескольких составляющих: 1) время t0нарастания напряжения до значения начального разрядного напряжения (см. лекцию 1); 2) время, необходимое для появления первого эффективного с точки зрения образования лавины электрона; 3) время формирования разряда – в зависимости от условий в лавинной или стримерной форме. Если импульс достаточно короткий, то время на вторую или третью фазу процесса может при данном уровне приложенного напряжения оказаться недостаточно. Поэтому в случае коротких по времени импульсов напряжения для пробоя будут необходимы большие амплитуды, чем при импульсах большой длительности или при постоянном напряжении.

Слайд 8.

Поскольку имеет место влияние параметров импульса напряжение на факт пробоя изоляции для практических испытаний и расчетов изоляционных конструкций используются импульсы стандартных форм. Параметры стандартных испытательных импульсов отражают типовые реальные характеристики импульсных воздействий на изоляцию электроэнергетического оборудования. На данном слайде изображен стандартный грозовой импульс напряжения. Как следует из рисунка, фронт стандартного грозового импульса составляет 1.2 мкс, а длительность, оцениваемая по моменту времени полуспада напряжения – 50 мкс.

Выше мы отмечали, что время приложения напряжения влияет в сторону уменьшения на пробивное напряжение промежутка. Описывается это влияние с помощью т.н. вольт-секундной характеристикизависимости амплитуды импульса, при которой происходит пробой от его длительности.

Слайд 9.

На рисунке приведен пример построения вольт-секундной характеристики (кривая 2) по опытным данным. Моменты пробоя для различных импульсов обозначены соответственно как tp1, tp2, tp3. Из рисунка видно, что вольт-секундная характеристика есть убывающая зависимость.

Слайд 10.

Наряду с вольт-секундной характеристикой количественная оценка влияния времени приложения на амплитуду импульса пробивного напряжения может быть дана с помощью коэффициента импульса. Коэффициент импульса определяется для импульса конкретной формы, например стандартного грозового. Коэффициент импульса вычисляется как отношение амплитуды 50%-го разрядного напряжения к амплитуде разрядного напряжения при длительном напряжении, например, напряжения промышленной частоты. Импульсное 50%-ное разрядное напряжение это амплитуда такого импульса, при многократном приложении которого, разряд происходит в половине случаев.

Знание вольт-секундных характеристик изоляции оборудования и позволяет правильно выбрать характеристики защитных аппаратов. На рис.1 показана схема защиты изоляции от перекрытия с помощью разрядника. В правильно спроектированной защите при появлении в точке присоединения импульса перенапряжения должен срабатывать (пробиваться) разрядник, а не защищаемый объект. Поэтому вольт-секундная характеристика (ВСХ) защищаемого объекта должна проходить выше, чем ВСХ защитного аппарата.

На рис.2 показаны воздействующий импульс напряжения (кривая 4) и ВСХ защищаемого объекта (3) и двух защитных аппаратов вентильного разрядника (1) и трубчатого разрядника (2). Из графиков видно, что если вентильный разрядник обеспечивает защиту объекта во всем временном диапазоне длительности воздействия, то трубчатый разрядник имеет более высокую, чем у объекта защиты ВСХ при коротких импульсах. Поэтому защита трубчатым разрядником в нашем примере при коротких воздействиях будет неэффективна – будет перекрываться объект, а не срабатывать разрядник. Процесс согласования характеристики воздействующего напряжения, ВСХ различных изоляционных компонент и защитных аппаратов называется координацией изоляции.

Слайд 11.

Выше мы уже отмечали, что при наличии неоднородного поля могут возникать условия, при которых разряд существует, но пробоем не завершается. Он был определен нами как коронный разряд. Несмотря на то, что корона не приводит к перекрытиям изоляции и соответствующим аварийным ситуациям в системах высоковольтного электроснабжения, данный вид разряда оказывает негативное влияние на режимы и эффективность работы линий электропередачи и подстанций высокого напряжения. Поэтому целесообразно рассмотреть явление коронного разряда более подробно.

Разрядные процессы в области сильного поля вблизи коронирующего электрода происходят в лавинной или стримерной форме. Локализация коронного разряда определяется размером зоны сильного поля, превышающего примерно 20 кВ/см. Значение напряженность электрического поля, необходимое для появления коронного разряда можно вычислить по эмпирической формуле (1), где r – радиус кривизны электрода, δ – относительная плотность воздуха, m – коэффициент шероховатости поверхности. На первой лекции мы отмечали, что микровыступы шероховатых поверхностей являются концентраторами электрического поля, где оно значительно усиливается. Поэтому ионизационные процессы на шероховатых поверхностях начинаются при меньших средних значениях напряженности поля, чем в случае гладких электродов. Это обстоятельство учитывается в формуле (1) коэффициентом шероховатости. Для гладких поверхностей m=1, для шероховатых m<1.

Поскольку коронный разряд связан с периодическим дрейфом и нейтрализации заряженных частиц, возникновение и исчезновением лавин и стримеров, то он сопровождается акустическими (характерный треск) и электромагнитными помехами.

Рассмотрим качественно процесс коронного разряда при постоянном напряжении (рис.1). В случае положительного электрода ударная ионизация возникает на некотором удалении от анода, при этом электроны, как легкие и быстрые заряженные частицы быстро покидают область сильного поля, двигаясь в сторону анода и нейтрализуясь на нем. Положительные ионы относительно медленно дрейфуют в сторону слабого поля в направлении от

анода, где этот дрейф прекращается. Поэтому вокруг коронирующего анода образуется область с положительным объемным зарядом.

Вблизи отрицательного коронирующего электрода (катода) свободные электроны появляются непосредственно на его поверхности и производят ионизацию нейтральных атомов. Образованные положительные ионы дрейфуют в сторону катода, где нейтрализуются. Электроны движутся в противоположном направлении в область слабого поля, где теряют скорость и захватываются нейтральными частицами, образуя отрицательные ионы. Поэтому средний заряд «чехла» (области, в которой происходят ионизационные и рекомбинационные процессы) короны на катоде – отрицательный (рис.1).

Наличие дрейфа заряженных частиц, их нейтрализация на электродах обуславливают наличие электрического тока коронирующих электродов. Чем выше потенциал коронирующего электрода, тем большую величину имеет ток короны. На рис.2 приведен пример вольт-амперной характеристики коронного разряда. Если имеет место два коронирующих электрода разных знаков, как на рис.1 и коронные «чехлы» расположены достаточно близко для обмена заряженными частицами друг с другом, то говорят о биполярной короне, ток такого коронного разряд больше, чем в случае уединенного коронирующего проводника, соответствующего униполярному коронному разряду.

Наличие тока короны становится причиной дополнительных потерь при передаче электроэнергии воздушными линиями высокого напряжения. Как мы увидим в дальнейшем, потери на корону могут сыграть заметную роль, снижая эффективность электропередач высокого напряжения.

электрода (провода) меняется. В соответствии с этим при каждом изменении знака происходит перестройка объемного заряда чехла короны. При переменном напряжении в случае коронирующего провода на емкостный ток провода на землю, накладывается активный ток, вызванный рассмотренным на предыдущем слайде движением заряженных части в чехле короны.

Поскольку коронный разряд генерирует в чехле короны объемный заряд, знак которого совпадает со знаком провода, то его временная зависимость (штриховая кривая) будет отличаться от синусоидальной формы. В области максимумов кривой напряжения заряд провода буде расти быстрее, чем в случае наличия только геометрической емкости провода по отношению к земле. Кроме того в силу инерционности процессов дрейфа заряженных частиц и перестройки коронного чехла изменение знака заряда будет происходить с некоторым опозданием по отношению к синусоидальной зависимости, имеющей место в отсутствии короны.

Появление объемного заряда вблизи поверхности коронирующего провода ограничивает рост напряженности электрического поля на уровне напряженности начала короны. При этом соответствующая зависимость теряет синусоидальную форму за счет прекращения роста напряженности в процессе генерации объемного заряда, как показано на кривой E(t) на верхнем графике. В соответствии с этим и потенциал провода перестает расти в процессе генерации заряда. Кроме того, зависимость потенциала от времени изменяет знак раньше, чем это следовало бы из синусоидального закона.

На нижнем графике показано, как к кривой чисто емкостного тока с провода на землю добавляются пики тока короны, возникающие в процесс генерации объемного заряда. В частности первый пик коронного тока начинает формироваться при достижении напряженности электрического поля значения начальной напряженности короны (точка 1) и прекращается в точке 2, когда напряженность становится ниже этого значения. Поскольку фаза коронных пиков тока совпадает с фазой напряжения, очевидно, можно говорить о потерях энергии, связанных с протеканием тока короны.

На рисунках справа показаны состояния коронного чехла для различных фаз процесса. Отметим, что в середине положительного и отрицательного полупериода знак объемного заряда соответственно положительный и отрицательный.

Слайд 13.

Поскольку фаза коронных пиков тока совпадает с фазой напряжения, очевидно, можно говорить о потерях энергии, связанных с протеканием тока короны.

Исходя из картины изменения структуры объемного заряда коронного чехла (рис. 1) при циклическом (синусоидальном) изменении приложенного напряжения можно построить вольт-амперную характеристику, которая в силу присутствия активного коронного тока по форме отличается от эллипса.

Для оценки потерь, связанных с коронным разрядом более удобна вольт-кулоновая характеристика (рис.3). Формальное преобразование стандартной формулы мощности потерь, позволяет выразить их через заряд и напряжение (1). При этом соответствующий интеграл численно равен площади петли в координатах напряжение заряд (рис.3). Штрихами показана кривая начального роста потенциала провода.

Слайд 14.

При практических расчетах параметров коронного разряда на проводах высокого напряжения можно использовать знакомую нам формулу (1). При этом практика показывает, что кроме качества поверхности провода на интенсивность коронного разряда существенное влияние оказывает погода. В частности туман, иней способствуют снижению начального напряжения короны, что учитывается коэффициентом шероховатости в (1). Кроме того длительное действие коронного разряда способствует постепенному уменьшению шероховатости провода. Поэтому находящиеся в эксплуатации длительное время («старые») провода коронируют с меньшей интенсивностью, чем только что смонтированные. Соответственно новые воздушные линии электропередачи отличаются большими потерями на корону по сравнению с длительно находившимися в эксплуатации.

Графики зависимостей потерь на корону для различных погодных условий применительно к одному из стандартных типов провода ВЛ приведены на рис.1.