книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

изменении напряжения наглядно иллюстрируется так называемой вольткулоновой характеристикой короны, представляющей собой за­ висимость полного заряда от напряжения (рис. 3.11). При отсутствии •короны эта зависимость линейная. В момент возникновения короны

форме, например с помощью метода подвижных координат. Полный за­ ряд коронирующего провода (на проводе и в объеме газа), отнесенный к единице длины провода, обозначим через qit заряд на проводе (на еди­ ницу длины) — через qH. Ионы, отошедшие от поверхности провода в фиксированный момент времени т, движутся в поле заряда провода qn и заряда ионов, отошедших от поверхности провода в последующий промежуток времени t — т, т. е. в поле заряда q=qtt-\-qt — q., где q-— полный заряд в момент времени t—т. Напряженность поля на

70

Плотность потерь энергии за бесконечно малый промежуток вре­ мени dt

dw. — n.E. dr.,

где i„ = i,j2nr. — плотность тока.

Напряжение на коронирующем промежутке получим интегриро­ ванием кривой напряженности поля. Например, для случая коронирования провода в цилиндре радиусом R над плоскостью в пре­ делах от /•„ до гвн значение Е. определяется по (3.11), а в пределах от гш до R объемный заряд отсутствует и напряженность поля определяется величиной полного заряда Е = qt/2n&0r. Поэтому напря­ жение определяется суммой двух интегралов:

Первый член в (3.17) определяет потенциал провода от полного заряда в предположении, что он весь сосредоточен на проводе. Вто­ рой, интегральный, член определяет уменьшение потенциала про­ вода из-за размещения части заряда в объеме газа. Например, при постоянном токе і. = / = const получаем из (3.14)

71

Формула (3.18) позволяет вычислить время движения ионов в поле коронирующего промежутка от провода до цилиндра (rB„ = R)

справедливое как в переходном режиме при / = const, так и при установившемся режиме постоянного тока. Производя интегриро­ вание в (3.17) для случая установившегося режима постоянного тока (rmt= R) с учетом (3.19), получаем формулу вольтамперной характеристики коронного разряда при постоянном напряжении:

(3.20)

В соответствии с формулами (3.13) и (3.19) распределение кон­ центрации объемного заряда при постоянном токе

Встречное движение ионов противоположных знаков и их взаимная рекомбинация в биполярном режиме короны переменного и постоянного тока исключают возможность точного вычисления характеристик коро­ ны в аналитической форме без некоторых упрощающих допущений. В этих условиях весьма эффективным оказывается применение ЭЦВМ для вычисления характеристик короны численным методом (методом последовательных интервалов). Переходный процесс разбивается на мелкие промежутки времени (интервалы), в каждом из которых ток принимается постоянным. Соответственно весь объемный заряд разби­ вается на зоны, за перемещением и рекомбинацией каждой нз которых необходимо следить отдельно.

Заряд, образующийся в каждом из интервалов времени, определяет­ ся в соответствии с (3.20), где в качестве радиуса внешнего цилиндра принимается радиус внешней границы образующейся зоны в конце интервала. По формуле (3.20) определяются средний ток и заряд за і-й интервал <7£= / гАг*. Для упрощения расчетов формула (3.20) мо­ жет быть использована только один раз при вычислении заряда первой зоны. Далее целесообразно образовавшийся объемный заряд сосредо­ точить на поверхности, эквивалентной в отношении определяемого им потенциала провода действительному распределению заряда, и затем следить за перемещением этой поверхности в последующее время

72

переходного процесса. По определению, радиус эквивалентной поверх­ ности может быть вычислен из равенства

где Нэ—эквивалентная высота подвески провода над землей (с уче­ том стрелы провеса проводов); Uit— напряжение в конце интервала; Яі и гі,і — заряд и эквивалентный радиус первого интервала. По этим данным может быть вычислено время перемещения эквива­

-При постоянном расчетном интервале времени для заданной коронирующей системы коэффициент £ можно принять не завися­ щим от величины тока. Поэтому радиус эквивалентной поверхности образующегося в течение каждого расчетного интервала объемного заряда может быть вычислен приближенно по (3.23) при замене qt

При вычислении характеристик короны на расщепленном про­ воде вместо радиуса г0 в формулы (3.23), (3.25) и (3.26) необходимо подставить, эквивалентный радиус провода согласно (3.6).

Момент прекращения ионизации после максимума напряжения определяется по изменению знака приращения заряда за интервал qn. После прекращения ионизации уменьшение потенциала провода происходит при перемещении объемного заряда и изменении вели-

73

С возникновением повторной ионизации при следующем полупериоде кривой напряжения вычисления усложняются необходимостью учета рекомбинации ионов, концентрация которых может быть найдена по (1.11). Время рекомбинации Д1 для пары соприкасающихся зон мо­ жет быть оценено как время перемещения эквивалентной поверхности зоны с меньшей концентрацией ионов в пределах зоны с большей кон­ центрацией ионов по диаграмме движения объемного заряда (см. рис. 3.10).

Возникновение коронного разряда на линии электропередачи при переменном напряжении приводит к накоплению объемного заряда в области поля, прилегающей к проводу. Размеры области поля с дви­ жущимся объемным зарядом измеряются десятками сантиметров, а для расщепленных проводов приближаются к метру. При увеличении перенапряжения значительная доля полного заряда линии оказывается вне провода. Соответственно возрастает эквивалентная емкость корошірующей линии по сравнению с ее геометрической емкостью. С дру­ гой стороны, перемещение объемного заряда в поле короннрующей

Резкое изменение состояния коронирующего промежутка на протяжении полупериода кривой напряжения приводит к возникнове­

нию высших гармонических в кривых тока, заряда и напряжения на коронирующей линии. Однако незначительное их содержание в кривых тока и напряжения позволяет учитывать коронный разряд приращением емкости и активной проводимостью, отнесенным лишь к первым гармо­ ническим кривых напряжения, заряда и тока согласно эквивалентной схеме участка однопроводной короннрующей линии, изображенного на рис. 3.12.

'74

Параметры короннрующих линий могут быть вычислены по приб­ лиженным формулам:

(3.29)

(3.30)

где / — частота напряжения, гц\ UmjU„ — кратность перенапряжения по отношению к начальному напряжению короны.

С учетом (3.29) потери на корону могут быть вычислены по (3.28).

§ 3.4. ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОНЫ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАПРЯЖЕНИИ

При большой скорости нарастания напряжения (порядка сотен киловольт в микросекунду) создаются благоприятные условия для

і

і

Рис. 3.13. Фотографии стримеров импульсной короны на проводе:

а — при положительном напряжении, du/dt=Z§b кв/мксек\ б — при отрицатель­ ном напряжении, dujdi=.35S ко/мксек

оценена исходя из измеренной величины средней напряженности поля в стримерной зоне £фтр «5,5 кв/см при положительной и £<ГТР ~ 10 кв/см при отрицательной полярности напряжения (см. § 2.7, 2.8) и предпо­ ложения об отсутствии объемного заряда вне стримерной зоны. Тогда для провода над поверхностью земли зависимость длины стримеров от амплитуды импульсов напряжения определится формулой (2.25).

75

На рис. 3.14 приведены вычисленные по (2.25) зависимости длины положительных и отрицательных стримеров от амплитуды приложен­ ного напряжения. Большая длина стримеров определяет эффект за­ паздывания образования объемного заряда при импульсном напряже­ нии. Действительно, например, при амплитуде положительного им­ пульса напряжения 1000 кв максимальная длина стримеров составляет 36 см. После максимума импульса напряжения образование новых стри­

меров прекращается. Однако, как уже ука­ зывалось, стример в целом — нейтральное образование. Образование избыточного объемного заряда того или иного знака происходит вследствие перемещения элек­ тронов вдоль стримеров. Так, при поло­ жительной полярности напряжения избы­ точный положительный объемный заряд образуется в результате движения элек­ тронов вдоль канала к положительно заря­ женному электроду. В результате избы­ точный заряд образуется сначала на конце стримера. Затем столб избыточного поло­ жительного заряда со скоростью, опреде­ ляемой скоростью движения электронов, вытягивается в направлении к электроду. При длине стримера 36 см время формирова­ ния объемного заряда составит (пе« 0 ,5 - ІО7

см/сек, см. рис. 1.2) Аі=Істѵ ѵеж7,2 мксек,

т. е. значительно больше, чем длина фронта импульса. Возможность полного устранения электронов из стримеров определяется скоростью изменения заряда на проводе. Если бы объем­ ный заряд после максимума напряжения не изменялся, то заряд на проводе изменялся бы пропорционально изменению напряжения, так как в этом случае CÄ=d^/d«=C0 (С0— геометрическая емкость коронирующей системы). Соответственно изменение напряжения на вели­ чину UK от максимума привело бы к уменьшению заряда на проводе до нуля (изменение на величину qa =C0UH). Дальнейшее уменьшение напряжения приводит к изменению знака заряда на проводе, что ис­ ключает возможность дальнейшего движения электронов к проводу и, следовательно, дальнейшего увеличения положительного объемного заряда.

Вследствие изменения объемного заряда (роста избыточного поло­ жительного заряда) заряд на проводе должен уменьшаться даже при отсутствии спада напряжения после максимума. Поэтому при заданной скорости изменения напряжения после максимума заряд на проводе изменяется быстрее, чем пропорционально напряжению, и уменьша­ ется до нуля раньше, чем напряжение изменяется на величину' (/„. Расчеты и эксперименты показывают, что заряд на проводе падает до нуля после снижения напряжения от максимума примерно на 0,5 • Ua

.(см. §11.2).

Перемена знака заряда на проводе приводит к прекращению ухода

76

Рис. 3.15. Вольткулоиовые характеристики короны при им­

электронов из каналов стримеров, к сохранению неизменной величины объемного заряда и соответственно к восстановлению пропорциональ­

77

Формула (3.31) позволяет получить зависимость динамической емкости короннрующей линии от напряжения

При положительной полярности напряжения динамическая емкость примерно на 20% больше, чем при отрицательной, в соответствии оо значениями постоянной В.

ГЛАВА IV. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИИ

§ 4.1. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОЧНОСТИ

Способность изоляции противостоять эксплуатационным воздей ствиям напряжения определяется в результате опыта эксплуатации и систематических наблюдений в действующих сетях, а также путем лабораторных испытаний, имитирую­ щих эксплуатационные воздействия.

Рабочее напряжение (постоянное пли переменное) в лабораторных условиях имитируется с помощью высоковоль­ тных испытательных трансформато­ ров и выпрямительных устройств.

Имитация грозовых перенапря­ жений осуществляется апериодичес­ ким импульсом стандартной фор* мы (рис. 4.1), получаемым от генера

торов импульсного напряжения (см. § 16.4.) Для имитации воздейст­ вий коммутационных перенапряжений используются импульсы раз­ нообразной формы: апериодические и колебательные с длиной фронта от десятков до тысяч микросекунд.

Электрическую прочность изоляционных конструкций можно ха­ рактеризовать вероятностью разряда при воздействии напряжения оп­ ределенной амплитуды и формы кривой в сочетании с другими влияю­ щими факторами (давление,влажность, температура и др.). Вероятность или, точнее, частость разряда ф при заданных условиях испытания определяется отношением числа произошедших разрядов п к общему числу испытаний N\

Для получения зависимости вероятности разряда от амплитуды воздействующего напряжения Umax необходимо провести многократ­ ные испытания при нескольких фиксированных значениях этой ам­ плитуды. Многочисленные опыты показали, что для воздушных про­ межутков изоляционных конструкций зависимость вероятности раз­ ряда от амплитуды воздействующего напряжения в пределах і/ 0)6± З се

78

удовлетворительно описывается функцией нормального распределения

Точность экспериментального определения вероятности разряда зависит от числа испытаний N и от измеренного значения Р. Сред­

При увеличении числа испытаний N согласно (4.3) аР уменьшается, что свидетельствует об уменьшении вероятной погрешности опреде­

из осциллограмм напряжения, снятых при определении вероятности перекрытия (рис. 4.2).

Параметры статистического распределения предразрядных вре­

мен — среднее предразрядное время tv и среднеквадратичное откло­ нение предразрядных времен от среднего значения срр — определяются

79