книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

п"/(п-\- 1)г,+1 = 0,385, а ]/"/;/(«+1) = 0,47, т. е. в последнем случае максимальная длина дуги при одном и том же токе короткого за­ мыкания больше.

ГЛАВА III. КОРОННЫЙ РАЗРЯД

§ 3.1. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОРОННОГО РАЗРЯДА •

Начальная напряженность коронного разряда при переменном и постоянном напряжениях определяется условием самостоятельности разряда (см. § 2.6). Некоторое различие механизма воспроизводства свободных электронов при положительной и отрицательной поляр­ ностях напряжения определяет незначительное различие начальных напряженностей положительной £+ н отрицательной £7, короны. При радиусе проводов порядка сантиметров £;( > Е~н. В униполярном режиме короны, когда вблизи каждого провода перемещаются только ионы, созданные в зоне ионизации того же провода, величины Et, и Е~ определяют напряженность поля на поверхности короннрующего провода практически независимо от тока короны. Такой режим будет существовать, например, при постоянном напряжении в системе про­ вод— земля или при переменном напряжении, когда длина разряд­ ного промежутка настолько мала, что все ионы, образованные в те­ чение какого-либо полупериода напряжения, полностью устраняются из промежутка до начала следующего полупериода. Напротив, в случае коронпрования двух противоположно заряженных проводов при постоянном или переменном напряжении, когда длина разрядно­ го промежутка достаточно велика, чтобы ионы не могли достичь второ­ го электрода и возвратились к проводу в течение последующего полу­ периода, устанавливается биполярный режим короны.

При вторжении отрицательных ионов в зону ионизации положи­ тельной короны возможен распад этих ионов с образованием свобод­ ных электронов (см. § 1.5). Благодаря этому в биполярном режиме по­ ложительный коронный разряд может поддерживаться при несколько меньшем напряжении, чем начальное напряжение короны. Мини­ мальное напряжение, при котором может поддерживаться разряд в присутствии встречного потока ионов, носит название критического напряжения короны UK. Соответствующая напряженность на поверх­ ности провода называется критической напряженностью Ен. Прак­ тически это приводит к различию напряжения возникновения U a короны в биополярном режиме и напряжения, при котором разряд пре­ кращается при снижении напряжения (UK) Б Влияние встречного по­ тока ионов заметно вблизи напряжения возникновения короны. При повышенном напряжении рекомбинация ионов большой концентра­ ции существенно ослабляет поток возвращающихся ионов, что прак­ тически исключает его влияние на развитие разряда.1

1 Это явление при постоянном напряжении обнаружено В. И. Попковым.

60

Амплитудное значение критической напряженности короны при напряжении промышленной частоты для проводов с различными радиу­ сами

Вблизи начального напряжения ток положительной и отрицатель­ ной короны не непрерывен. При отрицательной короне прерывистость тока определяется накоплением биполярного заряда положительных и отрицательных ионов вблизи поверхности провода и различной ско-

сированной поверхности провода («пятна»), имеют примерно одинако­ вые амплитуды (около ІО-2 а) и форму (длина фронта около ІО“8 сек; ширина импульса на уровне 0,5 / тах около 3-10“8 сек), а также ча­ стоту повторения, которая увеличивается при увеличении напряже­ ния до сотен килогерц. При дальнейшем повышении напряжения уста­ навливается непрерывный ток отрицательной короны.

Прерывистость тока положительной короны вблизи U„ определя­ ется несоответствием скорости образования и устранения объемногозаряда. Амплитуда тока импульсов положительной короны значительно меньше, чем отрицательной, а длительность— значительно больше и составляет десятки микросекунд и более. При незначительном повы­ шении напряжения сверх Un эти импульсы исчезают и устанавлива­ ется непрерывный ток короны. Однако, как было показано в § 2.6, при повышении напряжения сверх UH коронный разряд переходит в стримерную форму. Развитие стримера сопровождается протеканием импульса тока с амплитудой Jmax я^О, 1 а и длительностью в десятые доли микросекунды (рис. 3.2). Этот импульс определяется движением вдоль стримера электронов со скоростью ІО5м/сек, попадающих на.

61

Рис. 3.4. Картина электрического поля расщепленных проводов при различном числе составляющих

Приравнивая максимальную напряженность на поверхности про­ вода начальной напряженности короны, получим формулу для на­ чального напряжения короны

где т — коэффициент негладкостн многожильных витых про­ водов. Подставляя в формулу (3.4) вместо Е„ величину Ек, по­ лучим величину критического

напряжения короны.

»

§ 3.2. МЕСТНАЯ КОРОНА. УЧЕТ КОРОНЫ ПРИ ВЫБОРЕ ПРОВОДОВ ЛЭП

Отдельные очаги разряда на линиях возникают при напряжениях, зна­ чительно меньших, чем критическое напряжение короны UK, даже при отсутствии метеорологических осадков на поверхности проводов

6?

(при «хорошей» погоде). Это обстоятельство послужило основанием к введению понятий «местной» и «общей» короны. При этом подразу­ мевается, что до критического напряжения короны разряд носит местный характер. Очаги разряда возникают в отдельных местах вдоль провода, на которых имеется повышенная напряженность поля вслед­ ствие загрязнения, повреждения. Они могут появиться также па ар­ матуре крепления проводов у гирлянд изоляторов, распорках на рас­ щепленной фазе и др. Метеорологические условия оказывают сущест­ венное влияние на развитие коронного разряда на проводах линий. Осадки (дождь, снег, изморозь) значительно увеличивают число мест­ ных очагов короны в виде капель, иголок изморози.

Образование и перемещение объемного заряда в сильном поле вбли­ зи поверхности проводов вызывает потери энергии. Действительно, ионы у поверхности провода в переменном поле совершают колеба­ тельное движение. При отсчете времени от момента, соответствующего амплитуде напряжения промышленной частоты, область перемещения ионов можно оценить по формуле О. Майра

20 ч- 30 см, т. е. за один период ионы проходят 40 ч- 60 см в силь­ ном поле вблизи проводов.

При напряжении на проводах, равном критическому, потери на корону недопустимо велики. Поэтому диаметры и расщепление про­ водов в фазе должны быть такими, чтобы критическое напряжение короны было заметно выше рабочего. Для обоснованного выбора

■отношения U j U Kнеобходимо изучить зависимость потерь на корону

на трехфазных линиях переменного тока Л. В. Егорова и Н. Н. Тиходеев предложили использовать эмпирическую формулу, справед­ ливую для средней полосы европейской части СССР и Сибири. Эта формула может быть аппроксимирована зависимостью

____________ Дк = 2,5- 10~4Нф (Дф/ UKY, (3.7)

1 Соответствует радиусу такого одиночного провода, при котором величина ра­ бочей емкости линии та же.

64

где Рк—среднегодовые потери трехфазной линии, квт/клг, £/ф—дей­ ствующее значение фазного напряжения линии, кв\ UK-—действующее

значение среднего (по трем фазам) критического напряжения короны, кв. Формула (3.7) справедлива в диапазоне изменения отношения

между электродами. По этой причине в случае коронирования провода

Рк ,кВт!км

/

1

1

1

//1

V //

///2

у У

ищчі

0,1 0Л 0,5 0,5 0,7 0,8 1,0

10 15 20 25~~

Е,.кб/см

над плоскостью (униполярная линия постоянного тока) ионы накап­ ливаются в области слабого поля вблизи земли, что приводит к огра­ ничению тока короны и соответственно к ограничению потерь на ко­ рону. Поэтому потери на корону на униполярных линиях постоянного тока значительно меньше, чем на линиях переменного тока. Однако в более реальном варианте биполярной воздушной линии постоянного гока (линия с двумя противоположно заряженными проводами) встреч­ ный поток разноименных ионов, образовавшихся в зоне ионизации каждого из проводов, приводит к взаимной нейтрализации объемного заряда в области слабого поля. В связи с этим условия образования и перемещения объемного заряда оказываются близкими к таковым при переменном напряжении. В связи с этим и потери энергии на бипо­ лярных линиях постоянного тока и на линиях переменного тока близки (рис. 3.7).

В реальных условиях проводов воздушных линий положительная стримерная корона возникает при напряжениях, значительно мень­ ших U„ . Причиной образования очагов стримерной (местной) короны является резкое искажение поля при попадании на провод мелких на­ секомых и частиц органического происхождения. Зимой стримерная корона часто возникает на кристаллах изморози, царапинах и местах

зывает импульс тока, длительность которого определяется длиной стримера и скоростью движения электронов вдоль стримера. После устранения электронов из стримера в объеме газа остается столб из­ быточного объемного заряда положительных ионов. Достигшие про­ вода электроны растекаются по его поверхности, нейтрализуя влияние столба положительного заряда (до возникновения стримера и после из­ влечения из него электронов потенциал поверхности провода остается неизменным). Быстрое изменение избыточного заряда на поверхности провода является причиной возникновения и распространения вдоль линии электромагнитной волны.

Амплитуда и форма импульса являются случайными величинами. При исследованиях очагов местной короны на проводе, имеющих вид «факелов», оказалось, что каждый такой «факел» может являться ис­ точником либо разных, либо примерно одинаковых по амплитуде импульсов тока короны. Число импульсов одного очага при постоян­ ном напряжении может изменяться в очень широких пределах — от десятков до нескольких сотен в секунду.

При переменном напряжении число очагов стримеров меньше, чем при постоянном напряжении (при одинаковом напряжении). Однако амплитуды импульсов при переменном напряжении в среднем больше, чем при постоянном. Среднее значение длины фронта импульсов не­ зависимо от величины и вида напряжения (постоянное, переменное) составляет тф«0,08 мксек при относительном среднеквадратичном от­ клонении стт «0,12. Среднее значение длины импульсов на уровне

половины амплитуды импульса составляет тн«0,21 мксек при ах «

«0,14.

Амплитуды импульсов возрастают при увеличении напряжения. В качестве примера на рис. 3.8 показаны статистические распределе­ ния амплитуд импульсов тока стримерной положительной короны при изморози при различных напряжениях, начальное напряжение короны £/„=145 кв.

Спектр электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линии, определяется интегральным эффектом от всех очагов стримерной ко­ роны. Он чрезвычайно широк (от сотен килогерц до десятков мегагерц), что и является причиной радиопомех, вызываемых ЛЭП, и помех в- высокочастотных каналах связи. Вследствие значительно меньшей амплитуды импульсов тока отрицательной короны на линиях перемен-

66

иого тока и на биполярных линиях постоянного тока отрицательная корона не определяет уровень радиопомех.

Выполненные измерения и расчеты позволили установить макси­ мальные напряженности на поверхности проводов средней фазы трехфазной линии с расположением проводов в одной горизонтальной плоскости Ел,р, допустимые по уровню радиопомех,

/+ М '

мени года. Следует особо подчеркнуть, что данные формулы (3.8) справедливы не только для линий с одиночными проводами, но и для линий с расщепленными проводами. При неизменной конструкции составляющих проводов линии и одинаковой максимальной напря­ женности поля на их поверхности уровень помех не зависит от числа составляющих (это экспериментально проверено при изменении числа составляющих от 1 до 8). По-видимому, увеличение числа источников стримерной короны при увеличении числа составляющих компенси­ руется экранирующим влиянием возрастающего числа соседних сос­ тавляющих.

Представляет интерес сравнение £ д.р с критической напряженно­ стью короны (рис. 3.9). Как видно, £'д.р< Ек, однако при малых ра­ диусах проводов £ д р ;> Я к. При увеличении высоты над уровнем мо­ ря Н (в км) средняя плотность воздуха уменьшается согласно соот­ ношению

что необходимо учитывать при оценке критической напряженности короны Ек.

§ 3.3. ПОЛЕ КОРОНПРУЮЩИХ ПРОВОДОВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОНИРУЮЩИХ линии

Повышение напряжения на проводе сопровождается пропорци­ ональным увеличением напряженности поля Е во всех точках рассмат­ риваемого воздушного промежутка. При этом плотность тока смещения в каждой точке поля пропорциональна скорости изменения Е, т. е. І=г0(дЕ/ді). Напряженность поля на поверхности провода возрастает при увеличении напряжения вплоть до начальной напряженности ко­ роны £ н, после чего изменяется незначительно. Поэтому плотность тока непосредственно у поверхности провода при повышении напря­ жения сверх начального напряжения короны практически полностью определяется током конвекции — переноса пространственного за­ ряда электронов и ионов. Образующийся у поверхности провода объ­ емный заряд (см. § 2.6) перемещается в поле коронирующего проме­ жутка. Область, занятая объемным зарядом, где помимо тока смеще­ ния имеет место ток конвекции, постепенно расширяется.

Величина Е вблизи поверхности коронирующего провода при t i< t< tü остается практически неизменной (dE/dt=0). Поэтому при за­ данной скорости изменения напряжения скорость изменения Е во внеш­ ней (вне объемного заряда) области оказывается больше, чем при от­ сутствии короны. Соответственно при наличии короны заданному при­ ращению напряжения соответствует большее приращение полного' заряда и больший ток в промежутке, чем при отсутствии короны. Н а­ против, при заданной кривой изменения тока через промежуток пря наличии короны напряжение на промежутке нарастает медленнее, чем при отсутствии короны. Это обстоятельство способствует огра­

ничению кратковременных перенапряжений на линиях электропере­ дачи.

На рис. 3.10 показаны кривые изменения заряда на коронирующем проводе, полного заряда (на проводе и в объеме газа), тока через раз­ рядный промежуток и пути перемещения объемного заряда в течение первых полупериодов промышленной частоты после включения напря­ жения. Полный заряд, отнесенный к заряду на проводе, соответствует относительной величине напряжения на линии при отсутствии объем­ ного заряда короны. Поэтому разность ординат (q/q,,) — (U/U„) опре­ деляет относительную величину снижения напряжения под влиянием короны.

При увеличении напряжения сверх начального напряжения короны заряд на проводе q0 остается практически неизменным вплоть до мо­ мента перехода полного заряда через максимум и равным

2яе0пг0Е „

/п І+ (л -1 )(г0/гр) •

После этого уменьшение полного заряда в коронирующем промежутке осуществляется за счет уменьшения заряда на проводе, поскольку объемный заряд не изменяется по величине. Объемный заряд вблизи его внешней границы перемещается под влиянием поля полного заряда. Объемный заряд вблизи его внутренней границы движется только под

68

влиянием поля заряда на проводе. Поэтому после перехода через нуль кривой заряда на проводе он начинает двигаться по направлению к проводу. Наличие объемного заряда, образованного при первом полу-

энергии в течение первого _ КОрОНИруЮТ м е Г Г Г р я Г „ ^ МЮЧеШШ " "

энергии происходит и в течение третьего полупериода, поскольку воз­ рос объемный заряд противоположной полярности, образованный при втором полупериоде. При последующих полупериодах процесс стаби­ лизируется, чему способствует часть объемного заряда, неуспевающая возвратиться к проводу. Чем больше кратность перенапряжений, тем большая часть объемного заряда не успевает возвращаться к проводу и тем быстрее устанавливается процесс формирования объемного за­ ряда.

Образование объемного заряда приводит к увеличению динамиче­ ской емкости короннрующего промежутка Ca=dq/du. Изменение Сд при

69