ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / лекция 1_4_text

Лекция 4.

Слайд 1

Разряды вдоль поверхности загрязненной опорной изоляции высокого напряжения на п/с Южной ТЭЦ СПб

Слайд 2

Примеры скользящих разрядов вдоль поверхности диэлектрика слеванаправо, сверху вниз: фигуры Лихтенберга ( поверхность оргстекла) ; разряд на поверхности диэлектрика, инициированный острием, тоже при двух остриях с противоположными полярностями, поверхностный разряд в длинно искровом защитном разряднике, разряд по поверхности грунта при физическом моделировании удара молнии в землю

Разрядные явления в газах с участием поверхности твердого диэлектрика оказывает самое существенное влияние на электрическую прочность реальных изоляционных конструкций, применяемых в технике высоких напряжений. Наличие твердого диэлектрика является необходимым для обеспечения механической прочности изоляционной конструкции, обеспечивающей фиксацию изоляционных расстояний между токоведущими элементами.

Поскольку электрическая прочность твердого диэлектрика существенно выше чем у газового, то электрический пробой в конструкции, содержащей твердый диэлектрик обычно происходит в газе и локализуется вблизи поверхности твердого диэлектрика. Первые экспериментально подобные явления наблюдал Г.К.Лихтенберг (1742-1799) в 1797 году. Поскольку электрический разряд вдоль поверхности развивается в виде тонких плазменных нитей с относительно высокими значениями температуры и давления, то в результате этого явления на диэлектрических поверхностях остаются разветвленные следы разрядных искр, образующие своеобразный рисунок. На эти следы впервые обратил внимание Г.К. Лихтенберг, поэтому эти «автографы» разряда получили название фигур Лихтенберга. Фотографии двух таких фигур приведены на слайде слева.

В настоящее время техника регистрации разрядов (фотокамеры, включая ультрафиолетовые, тепловизионные, высокоскоростные) позволяет наблюдать разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика для самых разных условий. На верхней фотографии справа можно видеть скользящий разряд, развивающийся вдоль диэлектрического тела разрядника –

устройства применяющегося для защиты электрооборудования от воздействий высокого напряжения.

Таким образом, скользящий разряд представляет большой интерес как с точки зрения создания изоляционных конструкций, обеспечивающих необходимую электрическую прочность, так и в целях конструирования высоковольтных электроразрядных приборов различного назначения

Слайд 3.

Механизм развития скользящего разряда вдоль поверхности твердого диэлектрика в значительной мере определяется ориентацией вектора напряженности электрического поля по отношению к ней. Типовые конфигурации электродных систем и диэлектрика, реализующие возможные комбинация направления вектора напряженности и ориентации поверхности твердого диэлектрика приведены на рисунках данного слайда. В основном можно свести эти комбинации к случаям преобладания касательной составляющей напряженности (фигуры а,б) и преобладания нормальной компоненты поля на поверхности диэлектрика (фигура в). Последняя конфигурация характерна для весьма необходимых в технике высоких напряжений устройств – вводов высокого напряжения в заземленные корпуса оборудования и стены зданий. Конфигурации a и б характерны для подвесных и опорных изоляционных конструкций, а также для случаев, когда твердые диэлектрики играют роль дистанцирующих элементов между электродами, где главной изолирующей средой является газ.

Различие в особенностях формирования скользящего разряда для описанных условий мы рассмотрим более подробно.

Слайд 4.

Рассмотрим разряд вдоль поверхности диэлектрика в квазиоднородном поле. Верхний рисунок описывает распределение электрического поля между плоскими электродами в присутствии твердотельной дистанцирующей диэлектрической вставки.

Опыт показывает, что электрическая прочность воздушного промежутка в присутствии диэлектрика, поверхность которого ориентирована параллельно вектору поля, снижается в (1.5-2) раза.

Конечная кривизна торцевых кромок диэлектрика приводит к тому, что, несмотря на общее преобладание касательной компоненты напряженности вблизи электродов, имеет место и нормальная к поверхности диэлектрика компонента, которая согласно уравнениям электростатики, приведенным на слайде испытывает на поверхности диэлектрика скачок. При этом напряженность (нормальная компонента) в газе вблизи поверхности твердого диэлектрика вследствие существенного различия их диэлектрических проницаемостей в несколько раз превосходит среднюю по промежутку. Это становится причиной интенсивных ионизационных процессов, например короны, в приэлектродных областях. Цветовая картина распределения модуля напряженности в области сопряжения диэлектрика и электрода приведена на слайде внизу. Из данного распределения видно существенное усиления поля в области контакта электрода и диэлектрика. Появление заряженных частиц вблизи поверхности приводит к распространению разряда вдоль нее и полному перекрытию промежутка по поверхности диэлектрика.

Слайд 5

На данном слайде представлены результаты компьютерных расчетов распределения электрических полей вдоль поверхности твердого цилиндрического диэлектрика, разделяющего плоские электроды с учетом реальной геометрии сопряжения поверхностей диэлектрика и электродов. Как видно из левого рисунка учет отличного от нуля радиуса скругления кромки диэлектрика показывает возрастание превышение напряженности в точке «a» в отношение, равное относительной диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика. Поэтому воздушная область вблизи точки сопряжения «а» является интенсивным источником ионизационных процессов, стимулирующих перекрытие вдоль поверхности цилиндрического тела изолятора.

Для преодоления такого рода явлений могут применяться профилированные электроды, показанные на рисунке справа. В случае угла сопряжения большего или равного 90 градусов электрическое поле в точках сопряжения «а» и «b» равна нулю. Максимальная напряженность на поверхности диэлектрика имеет место посредине промежутка. При этом максимальное значение напряженности определяется минимальным расстоянием между профилированными электродами. В данном примере она на 60% превосходит напряженность при плоском идеальном сопряжении. Максимальная напряженность может быть снижена при менее глубоком

профилировании. При этом напряженность в точках сопряжения будет превосходить нулевое значение. Поскольку диэлектрическая проницаемость применяемых в ТВН твердых диэлектриков составляет 4-6, то применение профилированных электродов позволяет существенно снизить максимальные напряженности в воздухе вблизи диэлектрика. Однако при этом геометрия изоляционной конструкции усложняется.

Слайд 6.

Одним из важнейших факторов, приводящих к разряду вдоль поверхности, является ее увлажнение и загрязнение. Если электрическая прочность чисто воздушного промежутка практически не зависит от влажности, то при наличии в промежутке диэлектрика осаждение на его поверхности влаги ведет к снижению разрядного напряжения, что видно из рис. 1.

В наибольшей степени подвержены данному явлению гидрофильные диэлектрики, поверхность которых является смачиваемой. К числу таких относятся широко применяемые в изоляционных конструкциях фарфор и стекло. К несмачиваемым диэлектрикам можно отнести фторопласт и силиконовую резину. Силиконовая резина и материалы на ее основе в последние годы получили широкое распространение в изоляционных конструкциях высокого напряжения. Фотография в правой части слайда демонстрирует, что влага на поверхности силиконового изолятора собирается в капли, а не образует однородного слоя.

Слайд 7.

Наличие электропроводящего слоя загрязнения и увлажнения поверхности твердого изолятора приводит к особому механизму перекрытия изолятора.

Неблагоприятное сочетание загрязнения и увлажнения поверхности приводит появлению заметной электропроводности загрязняющего слоя. В результате по поверхности изолятора протекает активный ток утечки, достигающий нескольких миллиампер. Оценка тока утечки дается очевидной формулой (1). Сопротивление утечки Rу определяется геометрией изолятора (высота, диаметр), толщиной и удельным электрическим сопротивление слоя загрязнения.

Для изолятора цилиндрической формы длина участка протекания тока утечки равна высоте цилиндра, для эффективного снижения тока утечки за счет роста длины пути утечки при сохранении габаритов изолятора (рис.2)

применяется развитая поверхность, на которой чередуются ребра имеющие относительно большой диаметр и межреберные промежутки большего диаметра. В результате путь протекания току утечки (длина пути утечки) заметно возрастает. Рост длины пути утечки L ведет соглаcно формуле (1) к снижению тока утечки. Сопротивление утечки с учетом оребрения можно оценить по формуле (2), где D(l) переменный высоте в соответствии частотой расположения и формой ребер диаметр изолятора. Формулу для сопротивления утечки можно привести к виду (1) если ввести в

рассмотрение эквивалентный диаметр изолятора по формуле (3).

Протекание тока по поверхности слоя загрязнения вызывает его нагрев и высушивание. В результате потери влаги загрязняющий слой может почти полностью потерять электропроводность. Вероятность одновременного высушивания всего загрязняющего слоя весьма мала, поскольку изоляторы

диаметром (межреберного промежутки) имеют более высоко поверхностное электрическое сопротивление. Поэтому нагреваются несколько выше, остальных участков. Потеря проводимости загрязняющего слоя на относительно коротком участке пути утечки приводит к тому, что

результате происходит перекрытие этого участка с зажиганием маломасштабной электрической дуги, ток которой ограничен электрическим сопротивлением оставшегося загрязняющего слоя на поверхности (рис.2).

Дальнейший сценарий развития процесса зависит от соотношения сопротивления частичной дуги перекрытия и грязевого слоя. Электрическое сопротивление дуги уменьшается с ростом тока (см. формулу (6)). Поэтому, если в результате замещения части загрязненной поверхности дугой суммарное сопротивление уменьшится, то полный ток утечки возрастет. Что вызовет дальнейшее снижение сопротивления дугового участка и более интенсивное подсушивание грязевого слоя. Таким образом, это будет вести к дальнейшему росту частичной дуги вплоть до полного перекрытия изолятора.

Второй сценарий возникает, если сопротивление частичной дуги оказывается ниже, чем у грязевого слоя. В этом случае полный ток утечки уменьшается, а вместе с ним растет сопротивление дуги, что ведет к ее погасанию. Таким образом, критическим режимом, при котором возникает

перекрытие изолятора дугой, является равенство погонных сопротивлений дуги и грязевого слоя (рис.3). Это условие, как видно из рисунка, выполняется при некотором критическом значении тока утечки Ik. Напряжение, создающее данный критический ток утечки и будет напряжением перекрытия изолятора (формула (4)). Данная формула в частности показывает, что напряжение перекрытия растет по мере возрастания длины пути утечки Lу. Поэтому все изоляторы высокого напряжения наружной установки проектируются в зависимости от условий эксплуатации с различной длиной пути утечки. Чем выше степень загрязнения атмосферы, тем большей должны быть длина пути утечки изолятора. Отметим, что не только индустриальные загрязнения являются причинно перекрытия изоляторов наружной установки. К такому же эффекту приводит отложение соли на поверхности изоляторов в морских районах, отложение пыли в районах с развитым сельским хозяйством.

Слайд 8

На данном слайде приведены зависимости напряжений перекрытия реальных полимерных изоляторов, полученные в лабораторных условиях при различных значениях поверхностной проводимости загрязняющего слоя

Слайд 9

На слайде приведены технические мероприятия, предотвращающие перекрытие изоляции в условиях ее загрязнения .

Слайд 10.

Иными являются условия развития скользящего разряда в неоднородном поле с преобладание нормальной к поверхности диэлектрика составляющей напряженности электрического поля. Характерным для скользящего разряда в этих условиях является высокая температура стримера и лидера (рис.1). Разряд происходит в виде светящихся нитей с температурой до 6500 К, что близко к температуре силовой дуги. Характерно, что в спектре излучения разряда отсутствую линии, соответствующие материалу диэлектрика. Это означает, что разряд горит в воздушной среде. Конфигурация электродов и диэлектрика имеет электрическую схему замещения, показанную на рис.2 .

В процессе нарастания напряжения ток разряда замыкается через емкость, образованную диэлектриком. Это приводит к разогреву и росту проводимости разрядной области. Максимальный потенциал оказывается в конечной точке разрядной нити (рис.2). Поэтому происходит непрерывный

по мере подъема напряжения рост длины плазменной области вплоть до полного перекрытия. Ток разряда ограничен емкостью диэлектрика, с ростом толщины последнего емкость уменьшается, ограничивая условия развития разряда. Эффект частичного уменьшения емкости диэлектрика достигается применение оребрения последнего. В области ребра (рис.3), где толщина диэлектрика выше, емкостный ток ограничен, что затрудняет развитие скользящего разряда. Поскольку нагрев плазмы кончика разрядной нити при подходе ее к ребру изолятора будет существенно ограничен в области ребра изолятора.

Слайд 11.

Эмпирические исследования скользящего разряда позволили количественно описать его закономерности. В частности Теплер установил связь между напряжением скользящего разряда и емкости единицы площади диэлектрической подложки (формула (1)) . Длину разрядных нитей скользящего разряда можно оценить по эмпирической формуле (2). Заметим, что длина искры зависит не только от величины приложенного напряжения, но и от скорости нарастания напряжения. Быстрый подъем напряжения обеспечивает высокие значения емкостного тока в подложку и соответственно ток канала разряда (рис.1). Перекрытие изоляции соответствует условию, когда длина скользящего разряда сравнивается с длиной подложки lиз. Подстановка этого значения в формулу для длины искры позволяет найти величину напряжения перекрытия (3). Поскольку формула (3) показывает весьма слабую зависимость напряжения перекрытия от скорости нарастания напряжения, то можно установить главную закономерность разрядного напряжения при скользящем разряде (4). Из формулы (4) следует, что в отличие от однородного поля разрядное напряжение пропорционально не первой степени толщины диэлектрикаd, а d0.4. Поэтому при конфигурации электродов, характерных для явления скользящего разряда с преобладанием нормальной компоненты поля, увеличение разрядных напряжений за счет увеличения толщины диэлектрика не является эффективным методом. Поэтому при проектировании проходных изоляторов (вводов) на высокие напряжения применяются специальные технологии принудительного распределения напряжения, позволяющие снизить массогабаритные характеристики изоляционной конструкции.

Слайд 12

Ответьте на вопросы и решите предложенные на этом слайде задачи