Лекции

суммарного заряда – на проводе и в объёме – от напряжения, т.е. вольт кулоновые характеристики.

Для этого на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения, а на вертикально отклоняющие – сигнал, пропорциональный заряду.

Если корона отсутствует, то на экране осциллографа появляется прямая линия, тангенс угла которой равен геометрической емкости провода относительно другого электрода

Рис. 2.18 Вольт-кулоновые

характеристики

Если U>Uн, то на экране появляется петлеобразная фигура, площадь которой в известном масштабе равна потерям энергии на корону за период

где:

f - частота воздействующего напряжения

Сэкв при короне Сэкв=tgβэкв превышает значение геометрической емкости СГ=tgβr и зависит от приложенного напряжения.

Для исключения потерь энергии на корону, а также и радиопомехи должно быть выполнено условие:

Обеспечить это условие (2.58) надлежащим выбором диаметра проводов можно только для условий сухой погоды. При атмосферных осадках исключить коронирование проводов невозможно. В СССР сухая погода 70-90% времени (6000-8000 ч).

Примем для упрощения выкладок Ен≈30,3 mδ (см. 2.53), тогда по (2.58) с учетом (2.54) получаем

2.9.4 Потери энергии на корону

Потери на корону и радиопомехи в первую очередь зависят от максимальной напряженности поля на поверхности провода, которая при заданном напряжении определяется главным образом радиусом провода. Поэтому основным методом ограничения потерь на корону и радиопомех

является увеличение радиуса провода. При Uном≥330 кВ необходимы провода диаметра во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности.

Экономическое решение можно получить посредством применения так называемых расширенных проводов. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверхности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопластиковой сердцевиной.

Другое решение, получившее в настоящее время широкое распространение, было предложено ещё в 1910 г. академиком В.Ф. Миткевичем и состоит в применении расщепленных проводов фаз. В этом случае каждая фаза линии состоит вместо одного провода большого диаметра из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удается при требуемом суммарном сечении проводов существенно уменьшить максимальную напряженность поля на поверхности. Решающим является то, что заряд каждого провода q1 составляет только часть общего заряда расщепленной фазы qф:

Если провода располагаются на равных расстояниях по окружности радиусом rp (радиус расщепления), то в трехфазной системе емкость расщепленной фазы определяется как

Рис. 2.19 Характеристика расщепленной фазы

Средняя рабочая напряженность электрического поля на поверхности проводов расщепленной фазы с учётом (2.62) и (2.63) определяется как:

Наибольшее влияние на Еmax оказывает радиус расщепления.

При увеличении rp, с одной стороны, уменьшается влияние зарядов соседних проводов, а с другой стороны увеличивается емкость фазы и

соответственно её заряд. Поэтому существует оптимальный радиус расщепления при котором Emax наименьшая (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Зависимость Еmax от расстояния между проводами ВЛ 500 кВ

(n=3, провода АСО 500)

2.9.5Потери энергии на местную корону

Увеличением диаметра проводов и снижением напряженности поля на их поверхности нельзя исключить коронного разряда при неблагоприятных атмосферных условиях. Более того, даже при хорошей погоде не может быть исключена корона, например, в местах повреждения поверхности провода и арматуры гирлянд, на элементах крепления, т.е. в точках местного усиления поля.

Местная корона – корона, возникающая в точках местного усиления

поля.

В то время как общая корона существует на всей поверхности проводов при Е>Ен.

Годовые потери энергии на корону могут достигать 40% потерь на нагрев проводов, они оказывают влияние на технико-экономические характеристики линии электропередачи и их необходимо оценивать.

Оценка производится на основе экспериментально полученных данных. Для трассы ЛЭП определяются по метеорологическим данным продолжительность отдельных видов погоды в часах: хорошей погоды hхп, снега hc, дождя hд, изморози hи. Затем по отношению Emax/Eн из кривых рис.2.21 находят мощность потерь для разных погодных условий.

Рис. 2.21 Обобщенные характеристики мощности на корону

Годовые потери энергии на корону, кВт ч/км, определяются как

где:

N - общее число проводов в трех фазах линии.

Среднегодовая мощность потерь на корону, кВт/км:

Усредненные данные по погодным условиям для средней полосы Европейской части и Западной Сибири приведены в табл.2.3.

Воценочных расчетах потерь энергии на корону начальная напряженность для расщепленных проводов определяется по (2.52), а максимальная рабочая - по (2.65), (2.66). Для одиночных проводов фаз начальная напряженность короны по (2.52), а рабочая по (2.65) при n=1 и rэ=r. Напряженности рассчитываются в амплитудных значениях.

Втехнико-экономических расчетах рекомендуется учитывать потери

на корону, если Emax/Eн>0,5.

Экономически приемлемые потери мощности на корону имеют место

при:

(2.69) – определяющее соотношение при выборе проводов ЛЭП по условию ограничения потерь на корону.

ЛЕКЦИЯ 7

РАЗДЕЛ 3 Разряды по поверхности твердых диэлектриков

3.1Электропроводность диэлектриков

3.1.1Классификация веществ по электрическим свойствам

3.1.2Электропроводность жидких диэлектриков

3.1.3 Электропроводность твердых диэлектриков

3.1.4Поляризация диэлектриков. Диэлектрические потери

3.1.1Классификация веществ по электрическим свойствам

Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам и полупроводникам. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Исследование спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие (возбуждение, ионизация).

Стремясь перейти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна. При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных

энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса – зона энергетических уровней.

Диэлектрики – такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.

Полупроводники - вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.

Проводники - материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, то есть могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

Процессы электропроводности наблюдаются в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Однако электропроводность газов в слабых электрических полях и при нормальных условиях настолько мала, что в большинстве случаев не имеет никакого практического значения и ею можно пренебречь. Только в сильных электрических полях, когда создаются условия для разрядных процессов, в газах могут наблюдаться относительно большие токи проводимости. Сущность этих процессов была изложена в разделе 2. Ниже кратко рассматриваются процессы проводимости в жидких и твердых диэлектриках.

Под действием электрических полей в реальных диэлектриках возникают малые токи проводимости. Хотя электропроводность диэлектриков на много порядков меньше, чем металлов, процессы электропроводности диэлектриков имеют большое практическое значение.

Значение процессов электропроводности диэлектриков:

Токи проводимости являются одной из причин рассеяния энергии в диэлектриках при воздействии электрических полей, то есть причиной диэлектрических потерь. Эти потери вызывают дополнительный нагрев конструкций высокого напряжения. Поэтому приходится снижать рабочие токи в токоведущих частях или индукцию в магнитопроводах, чтобы ограничить суммарную мощность потерь в конструкции и рабочие температуры ее элементов. При определенных условиях диэлектрические потери могут привести к так называемому тепловому пробою.

Процессы электропроводности в диэлектриках обычно связаны с присутствием в них небольших количеств разного рода примесей, загрязнений. Эти примеси, как правило, влияют и на электрическую прочность диэлектриков. Между пробивным напряжением и током уточки изоляции при нормированном испытательном напряжении существует в ряде случаев некоторая корреляционная связь, то есть Uпр=f(Iу). Поэтому по току утечки оценивают состояние изоляции оборудования ВН.

3.1.2Электропроводность жидких диэлектриков

Свободными заряженными частицами, движение которых в электрическом поле обуславливает ток проводимости, в жидких диэлектриках могут быть ионы и коллоидные частицы. Таким образом, проводимость жидкого диэлектрика в первом случае называют ионной, во втором молионной или катафоретической.

Ионы обоих знаков образуются в жидких диэлектриках в результате диссоциации нейтральных молекул. В некоторых случаях это могут быть молекулы самой диэлектрической жидкости, однако в значительно большей степени диссоциируют молекулы различного рода примесей (несовершенство процессов производства и очистки жидких диэлектриков). Примеси могут также образовываться в самих жидких диэлектриках во время эксплуатации оборудования ВН вследствие процессов теплового старения или проникать в жидкий диэлектрик из окружающей среды. Во всех случаях при диссоциации нейтральной молекулы образуются два иона противоположных знаков, заряды которых по абсолютной величине равны заряду электрона.

Коллоидные частицы – это всегда примеси. Они имеют размеры от 10-9 до 10-7 м и постоянно находятся во взвешенном состоянии. Они беспорядочно перемещаются при отсутствии электрического поля, участвуя в броуновском движении. Коллоидные частицы по ряду причин обязательно

заряжены. По отношению к жидкости они имеют некоторый потенциал ξ - электрокинетический или дзета-потенциал. Его величина зависит от физико-

химических свойств диэлектрика и частицы, обычно ξ=0,03-0,07 В, при этом заряд коллоидной частицы равен

где εrж – относительная диэлектрическая проницаемость жидкого диэлектрика;

R – радиус сферической коллоидной частицы.

Знак qк зависит от соотношения относительных диэлектрических проницаемостей εrк – коллоидной частицы и εrж – жидкости:

При εrк>εrж – заряд коллоидной частицы положительный;

При εrк<εrж – заряд коллоидной частицы отрицательный.

Плотность тока проводимости в жидком диэлектрике в общем случае определяется выражением:

где n+,n-,nк – количество частиц в единице объема; q+,q-,qк – заряды частиц;

u+,u-,uк – средние скорости движения заряженных частиц (u=KE, где K

– подвижность).

В слабых электрических полях (Е<106 В/м) подвижности ионов K+ и K-, а также подвижность коллоидных частиц Kк не зависят от напряженности поля и являются и величинами постоянными (подвижности ионов имеют значение порядка 10-8 м2/(сּВ), коллоидных частиц- 10-11 м2/(сּВ)). Поэтому выражение (3.2) может быть записано в виде:

где γ – удельная проводимость жидкого диэлектрика ( [γ]=См/м=1/(Омּм)). Таким образом, в слабых электрических полях плотность тока проводимости прямо пропорциональна напряженности поля, то есть

соблюдается закон Ома.

Удельная проводимость жидких диэлектриков зависит от температуры Т. С ее ростом γ возрастает вследствие увеличения степени диссоциации молекул и роста концентрации ионов, а также из-за повышения подвижности заряженных частиц. Рост удельной проводимости γ при повышении температуры Т соответствует выражению

где γ0 – удельная проводимость при Т=Т0; а – температурный коэффициент, значение которого зависит от свойств

жидкого диэлектрика (для трансформаторного масла а≈0,02).

В сильных электрических полях (Е>107 В/м) удельная проводимость растет по мере увеличения напряженности поля Е, то есть здесь наблюдается отклонение от закона Ома. Объясняется это тем, что в этом случае само поле влияет на степень диссоциации молекул, а также на подвижность заряженных частиц. Приближенно зависимость удельной проводимости γ от напряженности Е выражается формулой

где γ0 – удельная проводимость при Е=Е0; b –коэффициент.

Как уже отмечалось, свободные заряженные частицы присутствуют в жидких диэлектриках обычно как примеси. Поэтому удельная проводимость γ жидких диэлектриков сильно зависит от степени их очистки. Для технически чистых неполярных жидкостей γ=(10-11-10-14)Ом-1·м-1, а дл я полярных γ=(10-8-10-12)Ом-1·м-1. У полярных жидкостей удельная

проводимость значительно больше, так как степень диссоциации молекул примесей в таких жидкостях выше.

3.1.3 Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков принято различать поверхностную и объемную электропроводности.

Поверхностная электропроводность

Поверхностная электропроводность имеет место тогда, когда на поверхности твердого диэлектрика образуется тонкий (невидимый глазом) слой адсорбированной влаги. В этом слое частично растворяются загрязнения, попавшие на поверхность диэлектрика. Молекулы загрязняющих веществ при растворении диссоциируют, образуя ионы. Поэтому слой адсорбированной влаги имеет, как правило, достаточно высокую электрическую проводимость.

Характеристикой этого процесса является удельная поверхностная проводимость γs (1/Ом). Величина γs зависит от способности диэлектрика адсорбировать на своей поверхности влагу и смачиваться водой, а также от влажности воздуха. Исходя из этого твердые диэлектрики разделяются на гидрофильные и гидрофобные.

Г и д р о ф и л ь н ы е – хорошо адсорбируют влагу и смачиваются водой (угол смачивания менее π/2). Большинство твердых диэлектриков являются гидрофильными материалами (в том числе стекло и фарфор). У них удельная поверхностная проводимость резко увеличивается с ростом относительной влажности воздуха. Например, поверхностная проводимость γs глазури на фарфоре при повышении влажности воздуха от 0 до 80% увеличивается от 10-13 до 10-9Ом-1.

Вторую группу составляют твердые диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой (угол смачивания более π/2). На поверхности таких диэлектриков влага адсорбируется в виде отдельных, не соединяющихся друг с другом микрокапель; сплошная пленка влаги не образуется даже при высокой влажности воздуха. Это г и д р о ф о б н ы е материалы. Поверхностная проводимость γs у гидрофобных диэлектриков на 2-3 порядка меньше, чем у гидрофильных, и величина γs почти не зависит от относительной влажности воздуха вплоть до точки выпадения росы. К группе гидрофобных материалов относятся парафин, политетрафторэтилен, некоторые виды кремнийорганических соединений.

Таким образом, удельная поверхностная проводимость зависит от свойств самого диэлектрика, однако характеризует, прежде всего, состояние его поверхности, наличие на ней загрязнений и адсорбированной влаги.