Лабораторная работа №4

Характеристика короны на проводах линий электропередачи при переменном напряжении промышленной частоты

I. Цель работы

Ознакомление с условиями возникновения и основными характеристиками короны при переменном напряжении промышленной частоты и методикой их определения.

II. Содержание работы

1. Ознакомление с испытательной установкой и мерами безопасной работы на ней.

2. Определение напряжения возникновения короны на проводах разными методами.

3. Снятие вольткулоновых характеристик короны на проводах.

4. Градуировка осциллографа по заряду.

5. Расшифровка осциллограмм и построение кривых потерь мощности на корону в зависимости от напряжения.

ІІІ. Общие сведения и указания по выполнению работы

Коронный разряд возникает в резконеоднородних электрических полях. В области высоких напряженностей каждая лавина в результате вторичных процессов создает условия для возникновения нового электрона, т.е. коронный разряд есть самостоятельным. При положительной короне вторичные электроны создаются вследствие фотоионизации в объеме газа. При отрицательной короне новые электроны создаются за счет фотоионизации в объеме газа и фотоионизации с поверхности коронирующего электрода.

Коронирование сопровождается образованием объемного заряда вблизи коронирующего провода. Этот объемный заряд по знаку совпадает с зарядом самого провода. При положительной полярности электроны уходят на анод, положительные ионы создают объемный заряд. При отрицательной полярности близи провода напряженность электрического поля в зоне ионизации оказывается достаточной для быстрого перехода положительных ионов на провод. При этом скорость накопления отрицательного объемного заряда значительно превосходит скорость устранения его с коронирующего промежутка.

Опыт показывает, что начальная напряженность поля для провода малого диаметра, при которой корона приобретает форму самостоятельного разряда, мало зависит от полярности и для гладкого полированного провода радиуса r₀, расположенного вдоль оси цилиндра радиуса R (R>>r₀), может определяться эмпирической формулой:

(4.1)

где  - относительная плотность воздуха; m – коэффициент, учитывающий шероховатость провода.

На линиях электропередачи коронный разряд может вызвать значительные потери мощности. В основном это тепловые потери, обусловленные столкновением ионов с молекулами газа при их движении в поле коронирующего промежутка (на ионизацию и излучение затрачивается лишь небольшая часть энергии). Коронирование вызывает радиопомехи и помехи в линиях связи, связанные с появлением высших гармонических в кривой тока.

В момент возникновения коронного разряда при каждой полуволне напряжения наблюдается резкое возрастание тока. По появлению всплеска тока при наблюдении с помощью осциллографа за вольтамперной характеристикой (рис. 4.1) можно судить о появлении коронного разряда.

Рисунок 4.1 – Вольтамперная характеристика коронного разряда.

Резкое возрастание тока, соответствующее образованию объемного заряда, приводит к нарушению линейности вольткулоновой характеристики, так как при заданном напряжении U на промежутке, заряд q, равный сумме зарядов на проводе q_пр и объемного заряда q_об, превосходит заряд, соответствующий геометрической емкости промежутка С₀

, (4.2)

На рис. 4.2 представлена вольткулоновая характеристика короны. Участок 0-1-2 соответствует включению напряжения при его переходе через нуль. После перехода напряжения через максимум ионизация прекращается и заряд на проводе уменьшается в соответствии с изменением напряжения q_пр­=C₀U (участок 2-3) до тех пор, пока напряженность поля на его поверхности не достигнет величины напряженности короны противоположной полярности. В этот момент вновь возникает ионизация и наблюдается всплеск тока (точка 4 вольткулоновой характеристики).

Из изложенного следует, что при напряжении на промежутке, меньшем начального напряжения короны, вольткулоновая характеристика представляет собой наклонную прямую. В момент возникновения короны эта прямая раздваивается. Это может быть использовано для определения начального напряжения короны.

Рисунок 4.2 - Вольткулоновая характеристика короны

Площадь вольткулоновой характеристики S пропорциональная потери энергии W на корону за один период Т приложенного напряжения:

(4.3)

По площади S и масштабам вольткулоновой характеристики по напряжению m_u и заряда m_q можно вычислить величину W за один период приложенного напряжения:

(4.4)

При частоте f потери мощности на корону составляют:

(4.5)

Схема для исследования характеристик короны приведена на рис. 4.1.

Измерения производятся на одиночных проводах разных радиусов и расщепленных поводах.

Напряжение появления короны определяется при плавном подъеме напряжения по вольтамперной и вольткулоновой характеристикам.

Количество измерений указывается руководителем работы. Данные наблюдений и расчетов сводятся в табл. 4.1, где радиус цилиндра R (см), длина цилиндра l (см), а коэффициент трансформации испытуемого трансформатора К_т.

Таблица 4.1 - Результаты расчетов и измерений начальных напряжений короны

Диаметр провода 2 r0, см	Напряжение появления короны		Напряженность появления короны
	U1H(действующее), В	U2H (амплитудное), кВ	Из опыта кВ/см	По расчету , кВ/см

В табл. 4.1 ;U_1Н – среднее показание вольтметра V из двух измерений - по вольткулоновой и вольтамперной характеристикам.

Полученные средние значения U_2H используются при построении кривых потерь мощности на корону (точка Р=0).

Энергию потерь на корону определяют по вольткулоновой характеристике при трех значениях напряжения на коронирующем проводе (кроме точки, соответствующей U_2H).

Данные измерений и результаты расчетов сводятся в табл. 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты измерений и расчеты потерь мощности на корону

Напряжение на проводе		Параметры вольткулоновой характеристики					Uгр по зар(ампл.),В	Энергия W,Дж	Мощность, Рсум, Вт	Мощность, Рм, Вт/м
U1(дейст.), В	U2 (ампл.), кВ	hu, см	hq, см	S, см2	mu, В/см	mq, Кл/см

В табл. 4.2 ;U₁ – первичное напряжение трансформатора; h_u - полное отклонение луча осциллографа от напряжения на вертикальных пластинах; h_q - полное отклонение луча осциллографа от напряжения на горизонтальных пластинах; m_u - масштаб осциллограмм по напряжению:

(4.6)

m_q – масштаб осциллограмм по заряду:

(4.7)

где C_э – эквивалентная емкость цилиндра и подводящего кабеля на землю:

U_гр – градуировочное напряжение по заряду;

С_q=0,33мкФ.

Градировка по заряду производится путем подачи на пластины заряда переменного напряжения, замеренного вольтметром. При этом определяется зависимость отклонения луча осциллографа от напряжения на пластинах h_q=f(U).

Для снижения относительной погрешности при определении m_u и m_q учитывается полное отклонение луча h_u и h_q, что соответствует двойной амплитуде 2U_пр и 2U_гр.

Величины W и определяют по ранее приведенным формулам. Р_М - потери на один метр длины провода.

(4.8)

По данным табл. 4.2 следует построить графики зависимости Р_М=f(U_пр ). На высоковольтных линиях электропередачи потери мощности на корону определяются на участках линий передачи значительно большей напряженности и выражаются в КВт/км.

Основное влияние на величину потерь оказывает радиус провода r₀. Увеличение r₀ приводит к уменьшению напряженности на поверхности провода, а следовательно, к увеличению напряжения начала короны.

Один из способов уменьшения потерь на корону - расщепление провода на несколько составляющих в фазе. Повышение начального напряжения короны на расщепленных проводах по сравнению с одиночными проводами равного сечения объясняется уменьшением наибольшей напряженности у поверхности расщепленного провода, обращенного наружу, за счет наложения электрических полей проводов, составляющих расщепление.

, (4.9)

где С_п – рабочая емкость провода;

n,r₀ - число и радиус составляющих провода;

r_p - радиус расщепления;

Е_Н - начальная напряженность короны на гладком проводе (m=1) с радиусом r₀;

m - коэффициент гладкости;

- коэффициент усиления, учитывающий неравномерность распределения напряженности поля по поверхности составляющих расщепленного провода.

Емкость провода:

, (4.10)

где h - высота подвеса провода равная радиусу цилиндра, см;

r_э - эквивалентный радиус расщепленного провода, см.

Эквивалентный радиус расщепленного провода - радиус такого одиночного провода, который при той же высоте подвеса имеет ту же емкость на единицу длины, что и расщепленный провод, заданной конструкции:

(4.11)

Радиус расщепления определяют по формуле:

, (4.12)

где d - шаг расщепления, см

Начальная напряженность короны (амплитудное значение) для проводов с большим диаметром определяется по формуле:

, (4.13)

где  - относительная плотность воздуха.

ІV. Порядок выполнения работы

Работа выполняется в соответствии с принципиальной схемой установки для исследования коронных разрядов, приведенной на рис. 4.3.

На вертикальные пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряжению на коронирующем проводе.

При заземлении измерительной плоскости через активное сопротивление R (переключатель К в положении 1) на горизонтальные пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное току короны (U=і_KR), при заземлении через С_q (переключатель К в положении 2) - напряжение, пропорциональное за ряду в коронирующем промежутке.

C_u1

C_u2

R_у

C_q

R

K

2

1

ЭК

НК

ЭО

R_у

220 В

R_защ

РН Тр

Рисунок 4.3 - Схема измерений вольтамперных и вольткулоновых характеристик.

Т_р - высоковольтный трансформатор; R_з - защитное сопротивление; ЭК - коронирующий электрод; НК - некоронирующий электрод; ЭО - электронный осциллограф; С_u1, C_u2 - конденсаторы емкостного делителя; К - переключатель; R_у - успокоительное сопротивление; C_q - шунт для измерения заряда; R - шунт для измерения тока.

Опыты провести в следующей последовательности:

1.Установить переключатель К в положение 1 и по вольтамперной характеристике для одиночного провода r₀=0,25 мм определить напряжение начала короны U_H.

2.Перевести переключатель К в положения 2 и зарисовать на кальку вольткулоновые характеристики для того же провода при различных значениях напряжения, задаваемых преподавателем. Рассчитать потери энергии по площади вольткулоновых характеристик (в относительных единицах), построить график зависимости потерь от напряжения на проводе P=f(U).

3.Повторить испытания по пп.1,2 для одиночного провода r₀=0,5мм.

4.Определить зависимость U_H от шага расщепления проводов (d=0,5;1,0;1,5), r₀=0,25мм для кратности расщепления n=2,3. Результаты измерений представить в виде графиков U_H=f(d).

5.Рассчитать напряжение начала короны для всех расщепленных проводов исследуемых случаев. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.3.

Таблица 4.3 - Таблица расчета напряжения начала короны и потерь энергии на корону для расщепленных проводов.

r0

n

h

d

rp

rэ

Cn

Kn

EH

UH

P

Расч.

Опыт.

см

см

см

см

см

кВ/см

кВ

кВ