А. Г. Овсянников доктор технических наук, профессор, зав каф. Твн нгту А. А. Ким доктор технических наук, профессор, завлаб. Исэ со ран в. И. Курец доктор технических наук, профессор тпу Томский политехническ
 Скачать 2.62 Mb.
|
стержень–стержень, стержень–плоскость, провод–земля и многие другие реальные изоляционные промежутки. 24 На рис. 1.9 приведены зависимости напряженностей от расстояния между электродами типа стержень–плоскость. Основные закономерности развития разряда в любых резконеодно- родных полях ( 4 ) практически одинаковы. При некотором начальном напряжении Н в промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т. к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение , соответствующее возникновению самостоятельной формы разряда (рис. 1.9). Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фотоионизации из объема газа (при положительной полярности стержня, либо за счет фотоэмиссии или автоэлектронной (холодной) эмиссии с катода (при отрицательной полярности стержня. Такой разряд называется коронным разрядом в лавинной форме. Значение напряжения и напряженности поляна электроде при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля. С увеличением степени неоднородности напряженность на электроде-стержне увеличивается, а напряжение возникновения короны уменьшается. Н Н * 1 2 3 S U Рис. 1.9. Зависимость напряженности электрического поля от расстояния между электродами типа стержень–плоскость: 1 – E СР = f (S) = U/S; 2 – E max = f (S); 3 – – напряженность возникновения самостоятельной формы разряда При увеличении напряжения свыше , когда количество электронов в лавине возрастает до 10 7 –10 9 , она переходит в плазменное состояние ив промежутке возникает стримеру электрода с повышенной напряженностью поля. Если в однородном поле возникший стример пересекает весь межэлектродный промежуток, тов резконеоднородном H U 25 поле, в зависимости от величины напряжения, стример, пройдя некоторое расстояние, может остановиться. При этом плазма его распадается, но вблизи острия возникают новые стримеры, которые также останавливаются и их плазма распадается. Такое состояние разряда – устойчивое, т. к. при этом выполняется условие самостоятельности разряда. Этот случай, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме. Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образуется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в электрическую дугу, что означает завершение пробоя. В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме. 1.9. Эффект полярности В слабонеравномерных полях, где минимальный и средний градиенты напряжения мало отличаются друг от друга, коронное и разрядное напряжения практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико. В сильнонеравномерном поле коронное напряжение намного ниже разрядного, полярность при несимметричных электродах существенно влияет на величину разрядного напряжения. В промежутке ост- рие–плоскость формирование разряда зависит от полярности острия. При положительной полярности острия имеющиеся в промежутке электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем. Взаимодействуя с внешним полем в промежутке, положительный объемный заряд ослабляет поле вблизи острия и усиливает его в остальной части промежутка (см. риса. Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина электронов справа от объемного заряда, электроны которой, смешиваясь с положительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стримера, заполненный плазмой. Зажигается стримерный коронный разряд. Положительные заряды этой лавины будут располагаться на головке стримера и создавать область повышенной напряженности во внешнем пространстве. Наличие области сильного поля обеспечивает 26 образование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера, постепенно удлинняя его. Стример прорастает к катоду, вызывая пробой промежутка, при сравнительно малом значении разрядного напряжения. При отрицательной полярности острия электрическое поле непосредственно у острия приводит к эмиссии электронов с катода, которые сразу попадают в сильное поле и производят ударную ионизацию, образуя большое число лавин. Электроны лавин, перемещаясь в слабое поле у анода, теряют скорость, захватываются нейтральными молекулами, становятся отрицательными ионами, рассеянными в пространстве. Положительные ионы лавин образуют объемный заряду острия, который, взаимодействуя с внешним полем, будет увеличивать напряженность непосредственно у острия и уменьшать – в остальной части промежутка рис. 1.10, б. Увеличение поля у острия приводит к усилению эмиссии электронов с поверхности катода, которые, смешиваясь с положительным объемным зарядом, образуют у катода зародыш катодного стримера Е ЕЕ Е ОЗ Е ОЗ Е Е Σ Е Е а б Рис. 1.10. Образование анодного (аи катодного (б) стримера E – напряженность внешнего поля E ОЗ – напряженность поля объемного положительного заряда E Σ – результирующая напряженность в промежутке после ионизации Вследствие большого числа начальных лавину катода плазменный канал здесь представляет собой более или менее однородный слой с радиусом кривизны большим, чему острия. Поэтому электрическое поле несколько выравнивается и напряженность во внешней области уменьшается Уменьшение напряженности электрического поля во внешнем пространстве приводит к тому, что для дальнейшей ионизации в этой части промежутка необходимо значительно увеличить разность потенциалов между электродами. При дальнейшем увеличении напряжения происходит ионизация справа от плазменного слоя. Большое число образующихся лавин приводит к удлинению стримера. Однако, также как ив начале, благодаря большому числу лавин, головка стримера размыта, и возрастание напряженности на головке стримера оказывается гораздо меньшим, чем при положительном острие. В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрицательном острие происходит с большими трудностями, поэтому разрядное напряжение при отрицательной полярности острия в 2–2,5 раза больше, чем при положительной полярности (рис. 1.11). 0 10 20 30 S, см U ПР , кВ 200 Рис. 1.11. Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами стержень–плоскость на импульсном напряжении 1 – положительная полярность острия 2 – отрицательная полярность острия 3 – однородное поле На переменном напряжении пробой происходит всегда на положительной полярности. 1.10. Барьерный эффект Существенное влияние объемного заряда на развитие разряда в промежутке с резконеравномерным полем используется на практике для увеличения разрядных напряжений изоляционных промежутков. Это увеличение достигается помещением в промежуток барьеров из твердого диэлектрика (электрокартон, гетинакс и др. При положительном острие положительные ионы оседают на барьер и растекаются по его поверхности тем равномернее, чем дальше от острия расположен барьер. Это приводит к более равномерному распределению напряженности в промежутке между барьером и плоскостью (риса) и, следовательно, к значительному увеличению разрядного напряжения. При отрицательной полярности стержня электроны, двигаясь от острия, попадают на барьер, теряют скорость и большинство из них вместе с атомами кислорода становятся отрицательными ионами. На барьере в этом случае появляется концентрированный отрицательный заряд, увеличивающий напряженность поляне только между положительным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внешнем пространстве (рис. 1.12, б. Поэтому при отрицательной полярности острия увеличение разрядного напряжения в промежутке при наличии барьера будет незначительным. При расположении барьера в средней части промежутка разрядные напряжения при отрицательной и положительной полярностях близки. 2 1 2 1 E E S S S 1 S S S 1 а б Рис. 1.12. Распределение напряженности поля в межэлектродном промежутке при наличии барьера а – положительная полярность стержня б – отрицательная полярность стержня 1 – распределение напряженности поля без барьера 2 – распределение напряженности поля с барьером 29 При расположении барьера в непосредственной близости от положительного острия роль его уменьшается вследствие резкой неравномерности распределения зарядов на барьере. Напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы ионизационные процессы проходили на другую сторону барьера. Барьер, расположенный в непосредственной близости от отрицательного острия, неспособен задерживать быстрые электроны с острия, которые проходят сквозь барьер к плоскости. Таким образом, барьеры в промежутке устанавливаются на таком оптимальном расстоянии от острия, при котором разрядные напряжения максимальны (25–30 % от длины промежутка между электродами, причем при положительной полярности острия разрядное напряжение может увеличиться в 2 раза по сравнению с промежутком такой же длины, но без барьера (рис. 1.13). Барьеры широко используются в высоковольтных конструкциях, работающих как в воздухе, таки в масле (высоковольтные вводы, трансформаторы и др. На переменном напряжении электрическая прочность на положительной полярности увеличивается и приближается к электрической прочности на отрицательной полярности. U ПР 1 3 4 S 2 S ОПТ Рис. 1.13. Влияние барьера на пробивное напряжение газового промежутка при положительной (1, 3) и отрицательной (2, 4) полярностях напряжения прямые 1 и 2 – пробивное напряжение промежутка без барьера кривые 3 и 4 – пробивное напряжение промежутка с барьером 1.11. Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции. Вольт-секундная характеристика (ВСХ) 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 р, называемое временем разряда (см. рис. 1.14). 30 U t 0 t с t ф t U Н t р Рис. 1.14. Временная структура развития разряда на импульсном напряжении Развитие самостоятельного разряда начинается с появления в промежутке эффективного начального электрона, что является случайным событием. Время ожидания эффективного электрона с подвержено разбросу и поэтому называется статистическим временем запаздывания разряда. Это первая составляющая времени разряда. Другой составляющей, имеющей также статистический характер, является время формирования разряда ф, те. время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка. Время с + ф = з называют временем запаздывания развития разряда. При достаточно большой длительности фронта импульса имеет значение также время t 0 , представляющее собой время подъема напряжения до значения Н. Таким образом, в общем случае время разряда определяется так фр. (1.27) Составляющие времени разряда си ф зависят от значения напряжения на промежутке. При увеличении напряжения повышается вероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станут эффективными и с уменьшится. Сокращается также и ф, поскольку при большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов и скорость продвижения канала разряда в промежутке. Поэтому чем выше разрядное напряжение, тем меньше время разряда. 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. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных конструкций установлен стандартный грозовой импульс с длительностью фронта (возрастания напряжения) 31 ф, 2 0, 4 мкс и длительностью импульса и 10 мкс = ± . Он обозначается так 1,2/50 мкс (рис. 1.15). U t 0,3 0,5 0,9 макс τ ф τ и О 1 Рис. 1.15. Определение параметров импульса напряжения Для экспериментального определения вольт-секундной 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 игра- ницы разброса времени разряда. U р р р р р р Рис. 1.16. Построение вольт-секундной характеристики изоляции по опытным данным (грозовые импульсы 1 – импульсы напряжения 2 – кривая средних значений пробивного напряжения 3 – границы разброса пробивных напряжений Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке. Для промежутков с однородным или слабонеоднородным полем вольт-секундная характеристика слабо зависит от (рис. 1.17, кривая 1), и только при значении времени разряда порядка 1 мкс и меньше разрядное напряжение увеличивается. Связано это стем, что разряд в таких промежутках формируется за весьма 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 между электродами меньше их радиуса, в качестве универсального прибора для измерения максимальных значений напряжения. р t Вольт-секундные характеристики промежутков с резконеоднород- ным полем (рис. 1.17, кривая 2) имеют достаточно большую крутизну, поскольку в таких промежутках время формирования разряда сильно зависит от значения приложенного напряжения. Для таких промежутков при грозовых импульсах характерны бóльшие разрядные напряжения , чем при переменном напряжении промышленной частоты 50 Гц. Отношение P U P ИМП U K U = (1.28) называется коэффициентом импульса. U р t р 1 2 3 4 Рис. 1.17. ВСХ защитных разрядников и изоляции 1 – ВСХ вентильного разрядника (однородное поле 2 – ВСХ трубчатого разрядника (резконеоднородное поле 3 – ВСХ защищаемого объекта 4 – импульс напряжения 33 Промежутки с однородными слабонеоднородным полями имеют коэффициент импульса ИМП 1 K = практически во всем диапазоне времен разряда. Вольт-секундные характеристики широко используются для координации изоляции высоковольтного оборудования, те. 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 (см. рис. 1.17, кривая 1) лежит ниже ВСХ защищаемого оборудования (кривая 3) во всем диапазоне времени воздействующего напряжения. 1.12. Коронный разряд Коронный разряд — это самостоятельный разряд, при котором ударная ионизация электронами имеет место не на всей длине промежутка, а лишь в его части, у электродов. Коронный разряд может иметь лавинную и стримерную форму. Пробой коронирующего промежутка происходит при напряжении большем, чем начальное. Корона представляет интерес в связи с потерями энергии при коро- нировании ЛЭП. Например, на линиях сверхвысокого напряжения потери энергии при коронировании проводов ЛЭП в плохую погоду составляют кВт на километр линии и более. Кроме этого, продукты ионизации воздуха разрушительно действуют на изоляцию и металлическую арматуру. Коронный разряд также является источником акустического шума и высокочастотного электромагнитного излучения спектр частот 0,154…100 МГц, которое создает помехи радио- и теле- приему. При коронном разряде происходит ионизация воздуха и у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе. Под действием сил электрического поля ионы, составляющие объемный заряд, движутся от провода. Для их передвижения необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха значительно меньше. На постоянном напряжении различают униполярную и биполярную корону. Если коронирует один провод – униполярная корона. При униполярной короне генерируемые короной заряды, имеющие тот же знак, что и коронирующий провод, под действием электрического поля устремляются к земле, где происходит их нейтрализация. При биполярной короне объемные заряды проводов различной полярности движутся навстречу друг другу. При встрече происходит рекомбинация ионов разных знаков. Часть ионов проникает в пространство вблизи противоположного провода, что приводит к усилению интенсивности коронирова- ния. Это увеличивает потери на корону. На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны н при времени t 1 (см. риса. Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (см. рис. 1.18, в. Из чехла короны положительные заряды (как на рис. 1.18, в) выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (ОЗ). Процесс коро- нирования продолжается дот пор, пока напряжение не достигнет U max при Несмотря на повышение напряжения до макс, напряженность на проводе остается постоянной и равной Е Н из-за влияния объемного заряда. Затем напряжение начинает снижаться. Синхронно снижается и напряженность на проводе, что приводит к погасанию короны. Но после погасания короны (после t 2 ) в пространстве вокруг провода остается положительным внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (см. рис. 1.18, в. Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет 40–100 см. Разность потенциалов между проводом и ОЗ увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени t 3 . При t 4 (см. риса, в, когда напряжение достигает U 0 , которое значительно меньше н, зажигается отрицательная корона. При этом отрицательно заряженные частицы начинают двигаться от провода во внешнюю область, а навстречу (к проводу) движутся положительно заряженные частицы из внешнего объемного заряда. Происходит рекомбинация заряженных частиц до полной компенсации положительного внешнего ОЗ. Затем накапливается отрицательный ОЗ во внешней области. Все это происходит за время от t 4 до t 5 (см. риса, в. В момент времени t 5 (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются и зажигание короны на обеих полярностях происходит при Между проводом и землей имеет место емкость С, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока. При этом между проводом и землей протекает емкостной ток i C (см. рис. 1.18, б dt du C i C = . (1.29) 35 t 1 в U max на С б t t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 2 Рис. 1.18. Развитие короны при переменном напряжении Возникновение коронного разряда в момент t 1 приводит к появлению тока короны i k , который накладывается на емкостный ток линии и искажает синусоиду тока (рис. 1.18, б. Длительность пиков тока короны равна длительности ее горения, те. от t 1 доили. При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях потери энергии на корону существенно больше. На характеристики коронного разряда – начальное напряжение, потери энергии, радиопомехи, шум – значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны. 36 |