Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрофизические основы электроэнергетики. Учебное пособие
.pdf
Вид
промежутка
d, см U
РШ (разрядник
шаровой)
РИ (разрядник
искровой)
, кВ U0, кВ β
50 %
н
Примечания
δ = 0,386P/T
T = 273 + t°
P – давление,
мм рт. ст.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое 50 %-е разрядное напряжение?
2. Что такое время запаздывания разряда?
3. Как определяются временные параметры импульса?
4. Что такое вольт-секундная характеристика промежутка?
5. Что такое коэффициент импульса βн и от чего зависит его
значение?
6. Принцип работы ГИН.
7. Как регулировать амплитуду выходного напряжения ГИН?
81
6. РАЗРЯД ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ
ТВЕРДОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток существенно изменяет его разрядное напряжение. При этом значительное
влияние оказывает как материал, так и состояние его поверхности,
вдоль которой развивается разряд, а также форма электрического поля
в промежутке между электродами.
Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком
может быть сведен к трем характерным случаям.
1. Диэлектрик помещен в равномерное поле так, что его поверхность
параллельна силовым линиям (рис. 6.1, а). В этом случае не нарушается
постоянство напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и чисто воздушного
промежутка. В действительности разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика и напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.
Значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большей
поверхностной гигроскопичностью (стекло, бакелизированная бумага),
дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт).
В этом случае имеет значение длительность приложения напряжения. Большее, по сравнению с импульсным напряжением, снижение
прочности промежутка при постоянном и переменном напряжении свидетельствует об относительно медленном развитии разряда.
Дело в том, что адсорбированная поверхностью диэлектрика влага
содержит диссоциированные ионы. В электрическом поле из-за малой
проводимости увлажненного слоя сравнительно медленно происходит
перераспределение зарядов на поверхности диэлектрика. Поле вблизи
82
электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. В результате этого величина разрядного напряжения уменьшается. При импульсах электрическое поле в промежутке не успевает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере.
а
б
в
Рис. 6.1. Характерные расположения твердого диэлектрика
в электрическом поле:
1 – электроды; 2 – диэлектрик
Помимо увлажнения поверхности диэлектрика большое влияние на
величину разрядного напряжения могут оказывать воздушные прослойки между диэлектриком и электродами. В этих прослойках из-за
разности в диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля в воздушной
прослойке и возникает ионизационный процесс. Продукты ионизации
83
выходят на поверхность диэлектрика, что приводит к значительному
(иногда вдвое и больше) снижению разрядного напряжения.
В реальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень
редко располагается в равномерном поле. Такое расположение электродов используется для исследования характеристик разряда по поверхности диэлектрика.
2. Расположение диэлектрика, приведенное на рис. 6.1, б, характерно для опорных изоляторов (рис. 6.2, а). Электрическое поле в этой
конструкции неравномерно, поэтому разрядные напряжения ниже, чем
в случае, показанном на рис. 6.1, а.
Гигроскопические свойства диэлектрика в этом случае мало влияют на
величину разрядных напряжений, поскольку процессы на его увлажненной
поверхности могут лишь несколько увеличить неравномерность поля. Неплотное прилегание диэлектрика к электродам в реальных конструкциях
устраняется с помощью цементирующих замазок или прокладок.
U
а б
Рис. 6.2. Принципиальная конструкция опорного (а)
и проходного (б) изоляторов
Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно бывает соединен с заземленными конструкциями, имеющими значительные размеры. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается и
разряд начинается с другого электрода (шапки), находящегося под высоким напряжением. В этом случае поверхностный разряд развивается
с преобладающей тангенциальной составляющей напряженности электрического поля. Уменьшение напряженности поля вблизи шапки
84
посредством создания внутреннего экрана позволяет существенно уве-
0
C
0
k
0
C
0
k
0
C
0
C
личить разрядное напряжение изолятора.
3. В конструкции (рис. 6.1, в), характерной для проходных изоляторов (рис. 6.2, б), коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого
свечения возникает у короткого заземленного электрода при относительно небольшом напряжении. Причиной этого является характер изменения потенциала или тангенциальной составляющей напряженности
электрического поля вдоль поверхности твердого диэлектрика. Оценим
падение напряжения вдоль поверхности твердого диэлектрика с помощью эквивалентной схемы замещения (рис. 6.3).
В этой схеме
тельно второго электрода,
– емкости единиц поверхности изолятора относи-
– емкости между соседними единицами
поверхности. Как видно из рис. 6.3, а, схема замещения образует цепочку емкостей. С токоведущего электрода 2 через емкости
кает ток, в результате чего через емкости
протекают разные токи.
подте-
Самый большой ток будет протекать через емкость, ближнюю к заземленному электроду, и вследствие этого самая большая напряженность
будет также у заземленного электрода. Причем чем большие токи под-
текают с емкостей
, тем выше будет и напряженность у заземленного
электрода, а следовательно, при меньшем напряжении, приложенном к
промежутку, начнется ионизация и возникнет коронный разряд. Таким
образом, емкость
определяет степень неравномерности поля вдоль
поверхности диэлектрика.
При увеличении напряжения область коронирования расширяется и
на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабосветящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного
электрода.
В такой конструкции разряд развивается с преобладающей нормальной составляющей напряженности электрического поля и стримерные
каналы имеют значительно бо´льшую емкость по отношению к противоположному электроду. Вследствие этого через них проходит больший
ток. При определенной величине напряжения ток возрастает настолько,
что температура стримерных каналов существенно увеличивается и становится возможной термическая ионизация. В результате этого каналы
разряда преобразуются: сопротивление их резко падает, интенсивность
свечения возрастает. Такая форма стримерного разряда, при которой канал имеет высокую температуру, обусловленную термической ионизацией, называется скользящим разрядом.
85
а
б
Рис. 6.3. Распределение напряжения вдоль поверхности
диэлектрика:
а – схема замещения в виде цепочки емкостей; б – распреде-
ление напряжения и напряженности поля; 1, 2 – электроды
Падение напряжения на каналах разрядов невелико, поэтому потенциал электрода выносится по ним далеко вглубь промежутка. Ионизацонный процесс захватывает все бо´льшую область. Длина скользящих
разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого
напряжения и наконец процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами.
Чем больше ток в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия.
Величина тока, в свою очередь, при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному
электроду. При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем значительнее, чем больше величина этой емкости.
Очевидно, чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное
напряжение, конечно, при постоянстве расстояния между электродами
по поверхности диэлектрика.
За величину, характеризующую емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.
86
При промышленной частоте напряжение появления скользящих раз-
кВ,
п
С
2
Ф/см
12 2
Ф/см
dU
dt
ск
l
m
U
п
С
2
Ф/см
dU
dt
15
39 10
15
33 10
2
Ф/см ,
кВ,
п
С
2
пФ/см
рядов может определяться по следующей формуле:
= 10
U
ск
1,36
C
п
0,44
4
(6.1)
где
– удельная поверхностная емкость,
.
Формула (6.1) дает хорошее совпадение с опытом при
0,25 10
С .
п
Длина канала скользящего разряда, помимо приложенного напряжения, зависит от скорости его изменения во времени и от удельной поверхностной емкости. Эта зависимость приблизительно может характеризоваться предложенной Теплером формулой
2 5
где
– длина канала скользящего разряда, см;
l kC U
ск п,m
напряжение, кВ (амплитудное значение);
емкость,
напряжения, кВ/мкс;
;
– максимальная скорость изменения приложенного
k для положительных импульсов и
4
(6.2)
– приложенное
– удельная поверхностная
для отрицательных импульсов.
Для плоского диэлектрика поверхностная емкость определяется выражением
14
(6.3)
C
п
8,86 10
где – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
Δ – толщина диэлектрика, см.
Для напряжения начала скользящих разрядов справедлива формула
А.М. Залесского
U
= 10
н.ск
31
0,44
C
п
4
(6.4)
где
– поверхностная емкость,
.
87
При постоянном напряжении ток в каналах разряда не может замы-
p
U
n t
E E
n t
E E
( )
U f S
( ).
Е f S
( )
U f S
каться через поверхностную емкость, в результате заряды оседают на поверхности диэлектрика, постепенно выравнивая распределение напряжения. Таким образом, ионизационный ток не достигает величины, достаточной для образования термической ионизации.
Удельная поверхностная емкость перестает играть роль, и величина
разрядного напряжения сохраняется высокой, приближаясь к разрядному напряжению воздушного промежутка.
При импульсах толщина диэлектрика (а следовательно, и удельная
поверхностная емкость) весьма существенно влияет на величину разрядного напряжения по поверхности, при постоянном же напряжении
влияние толщины диэлектрика ничтожно мало.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что при импульсах и при промышленной частоте разрядное напряжение с увеличением
расстояния между электродами растет очень медленно, особенно при
больших абсолютных величинах расстояний и небольших толщинах диэлектрика. Поэтому в практических конструкциях проходных изоляторов приходится принимать дополнительные меры для увеличения разрядного напряжения по поверхности, чтобы сохранить относительно небольшие габариты изолятора.
Электрические разряды по поверхности твердого диэлектрика
Изучим основные закономерности разряда вдоль поверхности твердого диэлектрика при переменном напряжении.
1. Перед началом работы ознакомиться со схемой установки, расположением ее элементов и объектов испытания, с порядком проведения
измерений и правилами безопасной работы на установке.
2. Определить поверхностные емкости плоских диэлектриков с различной диэлектрической проницаемостью.
3. Определить разрядные напряжения (
) по поверхности диэлек-
трика в зависимости от расстояния между электродами S для двух
разных конструкций промежутков: без нижнего электрода (
рис. 6.1, б) и с нижним электродом (
, рис. 6.1, в). Величину S
,
устанавливать от 4 до 12 см.
По результатам опытов построить кривые
p
и
ср
4. Исследовать влияние толщины диэлектрика на разрядное напряжение
p
в тех же изоляционных конструкциях при неизменном
расстоянии между электродами.
88
QF
Рис. 6.4. Электрическая схема испытательной установки
Разрядное напряжение по поверхности диэлектриков производится
на установке, электрическая схема которой показана на рис. 6.4. Установка позволяет проводить испытания на переменном напряжении. Разрядное напряжение измеряется с помощью вольтметра на стороне низкого напряжения и градуировочной характеристики испытательной
установки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как влияет внесение между электродами в равномерном поле
твердого диэлектрика на величину разрядного напряжения?
2. Как влияет материал диэлектрика и его толщина на напряжение
перекрытия в опорном изоляторе?
3. Как увеличить напряжение перекрытия в опорном изоляторе?
4. Как влияет толщина диэлектрика на напряжение перекрытия в
проходном изоляторе?
5. Как влияет материал диэлектрика на напряжение перекрытия в
опорном изоляторе?
6. Как увеличить напряжение перекрытия в проходном изоляторе?
7. Как изменится напряжение перекрытия при увлажнении диэлек-
трика?
8. Как изменится напряжение перекрытия сухой поверхности при
импульсном напряжении?
9. Как изменится напряжение перекрытия увлажненной поверхно-
сти при импульсном напряжении?
89
к
U
к
Р
7. КОРОННЫЙ РАЗРЯД НА ПРОВОДАХ
ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
На проводах линий электропередачи может возникать коронный
разряд. Это один из видов самостоятельного разряда, который существует в электрических полях с большой степенью неравномерности
только вблизи электрода с малым радиусом вследствие высокой напряженности электрического у его поверхности и относительно низкой
напряженности в остальной части промежутка. Корона существует в
охватывающей электрод узкой области и получила свое название по
внешнему признаку – светящемуся ореолу вокруг коронирующего электрода (на ВЛ-проводе). Корона на проводах при рабочем напряжении,
которая распространяется на поверхность проводов по всей длине ВЛ,
приводит к большим потерям энергии и радиопомехам, поэтому наличие короны по всей длине провода (общей короны) недопустимо.
Напряжение появления общей короны на проводах должно быть
выше максимального рабочего напряжения не менее чем на 11 % ПУЭ
[2, п. 1.3.33].
При коронировании у провода (электрода) накопляется объемный
заряд, противоположный по знаку полярности коронирующему электроду; ионы того же знака, что и полярность электрода, движутся в
направлении от провода. При смене полярности провода (следующий
полупериод напряжения) направление движения объемных зарядов разных знаков меняется на противоположное. Потери мощности, возникающие при короне, расходуются в основном на движение заряженных
частиц и частично – на излучение.
Основными характеристиками общей короны являются напряжение
начала короны
по вольт-кулоновой характеристике.
и потери мощности
, которые можно определить
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]