KR2_gotovye

1. Дати фізичне обґрунтування та визначити час запізнення розряду при імпульсній

напрузі

При кратковременных импульсах значение разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от продолжительности воздействия. Если к промежутку приложено напряжение достаточное для пробоя, то для развития и завершения разряда в промежутке необходимо определенное время tр называемое временем разряда.

Развитие самостоятельного разряда начинается с появления впромежутке эффективного начальною электрона, что является случайным событием. Время ожидания эффективного электрона tcподвержено разбросу и называется поэтому статистическим временем запаздывания разряда. Это первая составляющая времени разряда. Другой составляющей,

имеющей также статистический характер является время формирования разряда tф , т.е. время от момента появления начальногоэлектрона до завершения пробоя промежутка. Время tc+ tф= tзназывают временем запаздывания развития разряда. При достаточно большой длительности фронта импульса имеет значение также время t0, представляющее собой время подъема напряжения до значения UH . Таким образом, в общем случае время разряда определяется как:

tр = to + tc + tф . Составляющие времени разряда tc и tф зависят от значения

напряжения на промежутке. При увеличении напряжения повышаетсявероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станутэффективными, и tc уменьшается. Сокращается также и tф , посколькупри большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов и скорость продвижения канала разряда в промежутке. Поэтому чемвыше разрядное напряжение, тем меньше время запаздыванияразряда.

2. Дати обґрунтування залежності розрядної напруги при дії імпульсу від

йогокрутизни

При кратковременных импульсах значение разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от продолжительности воздействия. Если к промежутку приложено напряжение достаточное для пробоя, то для развития и завершения разряда в промежутке

необходимо определенное время tр называемое временем разряда.

Развитие самостоятельного разряда начинается с появления впромежутке эффективного начальною электрона, что является случайным событием. Время ожидания эффективного электрона tc подвержено разбросу и называется поэтому статистическим временем запаздывания разряда. Это первая составляющая времени разряда. Другой составляющей, имеющей также статистический характер является время формирования разряда

tф , т.е. время от момента появления начальногоэлектрона до завершения пробоя промежутка. Время tc+ tф= tзназывают временем запаздывания развития разряда. При достаточно большой длительности фронта импульса имеет значение также время t0,представляющее собой время подъема напряжения до значения UH . Таким образом, в общем случае время разряда определяется как:

tр = to + tc + tф . Составляющие времени разряда tc и tф зависят от значениянапряжения на промежутке. При увеличении напряжения повышаетсявероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станутэффективными, и tc уменьшается. Сокращается также и tф , посколькупри большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов и скорость продвижения канала разряда в промежутке. Поэтому чемвыше разрядное напряжение, тем меньше время

запаздыванияразряда.

Как видно изРис.1 при большей скорости нарастания напряжения время разряда уменьшается, однако из за того, что для формирования разряда необходимо некоторое время, то разрядное напряжение при большей крутизне фронта импульса увеличивается.

3. Визначити та побудувати стандартний грозовий імпульс

Отрицательный лидер развивается от облака в сторону земли. Грозовая туча и лидер молнии, который из нее опускается (рис. 6.1), индуцируют на земле и различных объектах заряды противоположного знака. На частях объектов, находящихся над землей, возникает высокая напряженность электрического поля, которая может достичь уровней, достаточных для ионизации воздуха и развития встречных лидеров.

Лидер молнии и встречные лидеры могут развиваться и сблизиться до полного контакта, в результате чего происходит грозовой импульс.

Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где образовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной ионизации, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и термоионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессовзависят от значения напряжения, вольтсекундные характеристики (зависимость максимального напряжения разряда от временидействия импульса) зависят от формы импульса. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных конструкций установлен стандартныйгрозовой импульс с длительностью фронта (возрастания напряжения)τф=1,2 ± 0,4 мкс и длительностью импульса τи= 50 ±10 мкс и обозначается

1,2/50 мкс (рис. 1.15).

Грозова хмара є ніби «обкладкою» конденсатора, іншою «обкладкою» є земля.

2. Визначити поняття вольт-секундної характеристики та провести її побудову

Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называется вольт-секундной характеристикой изоляции. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависят от значения напряжения, вольт-секундные характеристики зависят от формы импульса.

Для экспериментального определения вольтсекундной характеристики к исследуемому промежутку прикладываются импульсы стандартной формы. При каждом значении максимального напряжения импульса производится серия опытов. В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная

характеристика получается в виде области точек (рис. 1.16), для которой указываются средняя кривая и границы разброса времени разряда.

Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке. Для промежутков с однородным или слабо неоднородным полем, вольт-секундная характеристика слабо зависит от tр. Вольт-секундные характеристики промежутков с резко неоднородным полем имеют достаточно большую крутизну, поскольку в таких промежутках время формирования разряда сильно зависит от значения приложенного напряжения.

Вольт-секундные характеристики широко используются для координации изоляции высоковольтного оборудования, т. е. для защиты от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений. С этой целью параллельно защищаемому объекту включается воздушный разрядник (например, вентильный разрядник) с пологой ВСХ. Надежная защита будет обеспечиваться, если ВСХ разрядника лежит ниже ВСХ защищаемого оборудования во всем диапазоне времен воздействующего напряжения.

4. Датиобґрунтуваннявидів вольт секундних характеристик в однорідному та

неоднорідному електричних полях та коефіцієнту імпульсу.

Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называется вольт-секундной характеристикой изоляции. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависят от значения напряжения, вольт-секундные характеристики зависят от формы импульса.

Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке. Для промежутков соднородным или слабо неоднородным полем, вольтсекундная характеристика слабо зависит от tр

(рис. 1.17, кривая 1), и только при временахразряда порядка 1 мкс и меньше разрядное напряжение увеличивается.Связано это с тем, что разряд в таких промежутках формируется завесьма малое время при напряжении равном начальному значению и отсутствует корона. Отмеченные свойства вольт-секундной характеристики позволяют использовать промежуток между шаровыми электродами, создающими практически однородное поле, если расстояние междуэлектродами меньше их

радиуса, в качестве универсального приборадля измерения максимальных значений напряжения.

Вольт-секундные характеристики промежутков с резко неоднородным полем (рис. 1.17, кривая 2) имеют достаточно большую крутизну, поскольку в таких промежутках время формирования разрядасильно зависит от значения приложенного напряжения. Для таких промежутков при грозовых импульсах характерны большие разрядные напряжения UP , чем при переменном напряжении промышленной частоты 50 Гц. Отношение импульсного пробивного напряжения диэлектрика к его статическому пробивному напряжению

называют коэффициентом импульса:, где U0 – амплитуда пробивного статического

напряжения, – среднее значение импульсного пробивного напряжения при действии на разрядный промежуток импульса заданной формы.

Промежутки с однородным и слабо неоднородным полямиимеют коэффициент импульса KИМП=1 практически во всем диапазоне времен разряда. В неоднородных полях KИМП>1.

5. Привести схему генератора імпульсних напруг та пояснити роботу схеми

VD1-VD4 – іскрові проміжки

Rд – демпферні опори (для гасіння високочастотних коливань у момент спрацювання ступеню)

Rp-Rp’ – розрядні опори ступенів C – ємність ступеня

Rз – захисні опори

VD – високовольтний діод ГП – генератор підпалювання Ск – конструктивні ємності VDв – відсічний розрядник Rф – фронтовий опір

Rхв – хвостовий опір

О – об’єкт (у випадку ізоляції – незначна ємність, у заг. Випадку О може включати індуктивність та омічний опір)

У роботі ГІН можна простежити два етапи. На першому відбувається заряд конденсаторів усіх каскадів ГІН. Конденсатори каскадів при цьому підключені до зарядного пристрою паралельно через зарядні резистори.

На другому етапі внаслідок практично одночасного пробою всіх іскрових проміжків заряджені конденсатори каскадів з'єднуються послідовно, їхні зарядні напруги підсумовуються, і на виході ГІН формується одноразовий імпульс напругою

(3.6)

де U – напруга заряду конденсаторів каскаду; n – кількість каскадів;

– коефіцієнт використання ГІН. Ланцюг заряду ГІН:

Тр-1-0, Тр-1-3-2-0, Тр-1-3-5-4-2-0, Тр-1-3-5-7-6-4-2-0, Тр-1-3-5-7-9-8-6-4-2-0.

Ланцюг розряду:

1-2-3-4-5-6-7-8-9-11-земля Підпалювання ступенів генератора здійснюється а допомогою конструкційних

(паразитних) ємностей Ск, які мають різну постійну часу зарядки при спрацюванні ступенів ГІН, тобто підтримують потенціали, які є меншими за потенціал відповідної верхньої кулі розрядника протягом деякого часу.

Керований розряд досягається за рахунок використання генератора підпалу і керованого розрядника.

6. Визначитирізницюелектричноїміцностіпроміжків при розряді по поверхнітвердихдіелектриків при різних характеристиках електричного поля.

Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции рис. 1(а) силовые линии электрического поля параллельны по верхности диэлектрика и поле однородно. В конструкции рис. 1 (б) поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрикаЕτпреобладает над нормальной составляющей En. В конструкции рис. 1(в) поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных условиях, но удобна при выявлении влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).

В изоляционной конструкции рис. 1 (а) электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем чисто воздушного промежутка. Это связано с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом.

(Якщо буде час, то можнанаписати і це -Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического ноля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при налички микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связно с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемоетей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3-4 раза больше, чем воздуха), увеличение напряженности поля в микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.)

В изоляционной конструкции на рис. 1(б) поле неоднородное, следовательно, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис.1(а), но оно слабее выражено, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный

разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Всe сказанное справедливо и для конструкции на рис. 1(в). Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкции на рис.1(б). Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей ноля. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную составляющую, называют каналом скользящего разряда.Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости канала стримера. Поэтому падение напряжения в канале скользящею разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка больше, чем в каналах стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.

7. Визначитифізичніумови, якіпризводять до різницірозряднихнапруг при розряді по поверхнітвердихдіелектриків.

Эти условия заключаются в основном в адсорбции влаги из окружающего воздуха наповерхности диэлектрика, а также в наличиимикрозазоров между твердым диэлектриком и электродом. Поверхность всех тел во влажном воздухепокрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленкепод действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше,чемгигроскопичнее диэлектрик.Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытиявдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора приналичкимикрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины наповерхности диэлектрика связно с увеличением в них напряженностиполя вследствие различия диэлектрических проницаемоетей воздуха итвердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3-4 раза больше, чем воздуха), увеличение напряженности поля вмикрозазорах приводит к возникновению там ионизационныхпроцессов, продукты

которых (ионы и электроны), попадая в основнойпромежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов,защищающие диэлектрики от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные проводящие прокладки.При достаточнобольшой неоднородности поля возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложениюдиэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрическойпрочности.