_Полный курс ТВН (1). Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети

• Название: Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети
• Анкор: _Полный курс ТВН (1).doc
• Дата: 12.10.2017
• Размер: 1.34 Mb.
• Имя файла: _Полный курс ТВН (1).doc
• Тип: Конспект лекций; #9303
• страница: 4 из 10

1.5.1.Структура времени разряда
Предположим, что к произвольному газовому промежутку приложено напряжение, которое с некоторой скоростью возрастает от нуля до максимума, а затем остается неизменным (рис. 12). Если U₀— напряжение, при котором выполняется условие самостоятельности разряда, то до момента времени t₁ разряд в промежутке принципиально произойти не может. Однако даже и в момент t₁разряд может не начаться. Для развития разряда вблизи катода должен появиться хотя бы один эффективный электрон, т. е. электрон, образующий начальную лавину. Свободные


Рис 12 Составляющие времени разряда
электроны вблизи катода образуют­ся или благодаря бомбардировке катода положительными ионами, всегда содержащимися в воздухе, или путем освобождения электро­нов из отрицательных ионов, или, наконец, под действием внешнего ионизатора. Все эти процессы носят статистический характер, поэтому интервалы времени между двумя последовательными актами образо­вания электронов могут быть раз­личными.

Таким образом, развитие разря­да в промежутке начнется не в момент времени t₁, а в момент t₂ = t₁+t_C, где t_C — так называемое статистическое время запаздывания, является временем ожидания пер­вого эффективного электрона.

Но в момент t₂разряд только начнет развиваться. Должно прой­ти еще некоторое время, которое называется временем формирова­ния разряда t_Ф, прежде чем про­изойдет полный пробой проме­жутка.

Итак, полное время разряда t_P состоит из трех слагаемых
t_P=t₁+t_с+t_Ф, (8)
причем сумму
t_p=t₁+t_c+t_Ф, (9)

часто называют временем запаздывания разряда.

Судьба свободных электронов, образующихся у катода, может быть различной. Электрон может прилип­нуть к атому с образованием отрицательного иона; некоторые элек­троны снова возвращаются на катод или выходят за пределы силь­ного поля, так и не совершив ни одного акта ионизации. Поэтому статистическое время запаздывания связано с ожиданием не любого свободного электрона, а эффектив­ного электрона,

т. е. такого, кото­рый образует начальную лавину.

Время ожидания эффективного электрона от разряда к разряду изменяется, поэтому целесообразно ввести понятие о среднем времени статистического запаздывания. Пре­делы отклонения действительных величин от средней определяются главным образом экспериментально в коротких промежутках с однород­ным полем, где время формирова­ния разряда мало и время запазды­вания практически равно времени ожидания первого эффективного электрона.

Среднее статистическое время за­паздывания зависит от многих

факторов — интенсивности внешнего ионизатора, материала катода и состояния его поверхности, напряже­ния между электродами.

Время формирования разряда также обладает статистическим ха­рактером, который наиболее ярко проявляется в длинных искровых промежутках с резконеоднородным полем. Можно назвать несколько причин разбросов времени форми­рования разряда:

1. Развитие стримера тесно свя­зано с последовательным возникно­вением большого количества лавин электронов. Поэтому время форми­рования разряда в какой-то мере включает в себя и время ожидания эффективных электронов, дающих начало этим лавинам. Это время, конечно, гораздо меньше, чем статистическое время запаздывания, так как начальные электроны вто­ричных лавин возникают в условиях весьма интенсивного излучения, ис­пускаемого развивающимся разря­дом. Однако оно имеет конечную величину и обладает статистиче­ским характером.

2. Расположение в пространстве вторичных электронов также носит случайный характер, следовательно, изменяется и создаваемое объемны­ми зарядами лавин искажение поля, от которого зависит скорость распространения стримера.

3. Траектория разряда, особен­но в длинных искровых промежут­ках, сильно искривлена, поэтому фактическая длина канала не равна расстоянию между электродами и изменяется от разряда к разряду.
Лекция 9.

1.5.2. Вольт-секундные характеристики
Так как обе составляющие вре­мени запаздывания разряда в силь­ной мере зависят от приложенного напряжения, полное время разряда при разных напряжениях должно быть различным. Зависимость времени разряда от амплитуды прило­женного напряжения называется вольт-секундной характеристикой искрового промежутка, Но время разряда зависит не только от амплитуды приложенного напряжения, но и от закона его изменения во времени.

Поэтому при экспериментальном определении вольт-секундных характе


Рис.13 Определение длины фронта и дли­ны волны стандартного импульса.
ристик следует прежде всего ввести стандартную форму волны напря­жения, одинаковую для всех испы­таний изоляции.

Стандартная волна имеет форму импульса (рис. 13), у которого напряжение быстро возрастает от нуля до максимума (фронт волны); а затем относительно медленно спадает до нуля (хвост волны). Форма импульсной волны характе­ризуется длиной фронта , т. е. временем нарастания напряжения от нуля до максимума, и длиной волны , т. е. временем, в течение которого напряжение уменьшается до половины амплитуды.

Так как импульсные волны, по­лучаемые в лабораториях, имеют весьма пологую начальную часть фронта и эта начальная часть для развития разряда существенного значения не имеет, фронт волны за­меняется эквивалентным косоуголь­ным фронтам. Для этого на фронте отмечаются точки с ординатами 0,3 U_МАКС и 0,9 U_МАКС (рис. 13) и через них проводится прямая ли­ния. Пересечение этой прямой с осью абсцисс и с горизонтальной прямой, проведенной на уровне ам­плитуды, определяет длину фронта волны.

По международным рекоменда­циям стандартная волна должна иметь длину фронта 1,2 мксек с от­клонениями ±30% и длину волны 50 мксек с отклонениями ±20%. В России используется стандартная импульсная волна с длиной фронта 1,5 мксек и длиной волны 40 мксек (сокращенное обо­значение — волна 1,5/40), которая удовлетворяет международным правилам.
Контрольные вопросы

1. 
   Перечислите основные требования к газу, применяемому в качестве изоляции.
   
2. 
   Назовите основные виды разрядов и их характеристики.
   
3. 
   Перечислите виды ионизации в газе.
   
4. 
   Что такое лавина электронов?
   
5. 
   Назовите условие самостоятельности разряда в однородном поле.
   
6. 
   Назовите условия создания вторичных электронов.
   
7. 
   Что такое стример и какие процессы в нем происходят?
   
8. 
   Закон Пашена. Определение и математическая запись.
   
9. 
   Какая характерная особенность имеется у неоднородного поля?
   
10. 
    Перечислите случаи возникновения самостоятельного разряда в неоднородном поле.
    
11. 
    Закон подобия разрядов.
    
12. 
    Развитие разряда в резконеоднородном поле при положительной полярности стержня.
    
13. 
    Развитие разряда в резконеоднородном поле при отрицательной полярности стержня.
    
14. 
    Влияние барьеров в газовой среде на разрядное напряжение.
    
15. 
    Опишите процесс возникновения заряда в грозовом облаке.
    
16. 
    Назовите причины разбросов времени формирования разряда.
    
17. 
    Что такое вольт-секундная характеристика искрового промежутка?
    
18. 
    Назовите основные характеристики стандартной волны напряжения.
    

Лекция 1.
2.КОРОННЫЙ РАЗРЯД НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Ионизационные процессы в коронном разряде происходят лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, вблизи провода, в узкой зоне, которая обычно называется чехлом короны. Чехол коронного разряда на проводах далеко не всегда бывает однородным, особенно при достаточно больших на­пряжениях. При отрицательной короне ионизация происходит вблизи большого числа точек на поверхности провода и чехол короны состоит из многочисленных проводящих нитей. При по­ложительной полярности, помимо сплошного чехла, на проводе образуются стримеры, длина которых может быть достаточно большой, но, конечно, гораздо меньше расстояния между электродами.

За счет процессов ударной ионизации в чехле короны непре­рывно создаются заряженные частицы обоих знаков. Частицы того же знака, что и коронирующий электрод, под действием электри­ческого поля выходят из чехла короны во внешнюю область и постепенно перемещаются к противоположному электроду.

Если к промежутку приложено постоянное напряжение, то в стационарном режиме вся внешняя область короны, т. е. область, в которой ионизация отсутствует, оказывается заполненной объем­ным зарядом того же знака, что и коронирующий провод. При этом заряд, уходящий в единицу времени на проти­воположный электрод, в точности равен за­ряду, выделяющемуся за, это же время во внешнюю область из чехла короны, так что суммарный объемный заряд остается неизменным.

Для чехла короны характерны быстрые процессы, происходящие со скоростью электронов или стримеров. Поэтому ток короны, помимо медленно меняющейся составляющей, определяемой пере­мещением объемного заряда, содержит большое количество кратко­временных пиков, соответствующих развитию стримеров или групп лавин. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, который соответствует радиотехническому диапа­зону. Излучаемые коронирующей линией радиоволны создают по­мехи радиоприему (особенно сильные вблизи линии), которые могут достигнуть недопустимого уровня.

Таким образом, появление коронного разряда на проводах линий электропередачи сопровождается потерями энергии и радио­помехами. Необходимость ограничения до приемлемых значений уровня потерь энергии и радиопомех приводит к тому, что рацио­нальная конструкция проводов и арматуры линий электропередачи в значительной мере определяется, коронным разрядом, особенно при наивысших номинальных напряжениях.
2.1.Корона на проводах при постоянном напряжении
При постоянном напряжении различают два различных вида коронного разряда — униполярный и биполярный.

Униполярная корона возникает в том случае, когда коронирующие провода в промежутке имеют одинаковую полярность [напри­мер, промежуток провод — плоскость (рис. 14, а). При униполяр­ной короне вся внешняя зона заполнена зарядами того же знака, что и коронирующий провод (или провода).

Биполярная корона возникает в том случае, когда коронирующие провода имеют противоположную полярность [например, про­межуток провод — провод (рис. 14, б)]. Во внешней зоне биполярной короны ионы разных знаков движутся навстречу друг другу.



Рис. 14 Распределение объемного заряда

униполярной (а) и биполярной (б) короны.
Если бы на границе нулевого потенциала 1—1происходила полная рекомбинация ионов, биполярная корона состояла бы из двух не зависящих друг от друга униполярных коронных разрядов. В дейст­вительности на границе раздела происходит лишь частичная ре­комбинация ионов, и значительная их часть проникает во внешнюю зону провода противоположной полярности, уменьшая суммарный объемный заряд этой зоны. Для того чтобы восстановить начальную напряженность поля на поверхности провода, ионизация в чехле короны должна возра­сти и из чехла короны должен, выделяться больший заряд, часть которого тратится на нейтрализацию заряда противоположного, знака. Благодаря этому ток короны, а сле­довательно, и потери энергии в биполярной короне значительно больше, чем в униполярной. Увеличение потерь в биполярном режиме по сравнению с униполярным связано также с распадом (явлением, обратным прилипанию) отрицательных ионов в зоне ионизации провода, имеющего положительную полярность. Отрицательные ионы приходят к положительному проводу от отрицательного коронирующего провода и в результате распада создают в зоне ионизации дополнительные свободные электроны.

Появление таких электронов в зоне ионизации приводит к увеличению тока короны, а следовательно, и потерь на корону. Кроме того, появление в зоне

ионизации дополнительных свободных электронов равнозначно увеличению коэффициента вторичной ионизации . Увеличение же обеспечивает поддержание самостоятельного разряда при меньших напряженностях. Напряженность на поверхности провода в усло­виях развитой короны называется критической — Е_к.

Для определения потерь энергии на корону при постоянном напряжении необходимо проанализировать движение объемного заряда во внешней зоне.
Потери энергии при общей короне равны:

, (10) где

U_К – критическое напряжение.

Коэффициент G определяется геометрическими размерами линий, коэффициентами подвижности и рекомбинации ионов. Потери энергии и очень быстро растут при увеличении напряжения.

Потери сильно зависят от погоды и резко увеличиваются в тех случаях, когда на поверх­ности провода оседают капли дождя или кристаллы льда, создаю­щие дополнительные области повышенной напряженности поля. Так как условия погоды могут быть самыми разнообразными, это обстоятельство крайне затрудняет создание чисто теоретических методов расчета потерь на корону, и значение теоретического анализа заключается главным образом в установлении закономерно­стей, с помощью которых обобщаются данные, полученные из непо­средственных измерений.

Лекция 2.

2.2.Корона на проводах при переменном напряжении
Анализ движения объемного заряда в пространстве между про­водами при переменном напряжении показывает, что основная масса нерекомбинировавшего заряда совершает возвратно-поступа­тельное движение в окрестности каждого провода, не удаляясь от него на расстояние, большее нескольких десятков сантиметров. Только очень небольшая доля объемного заряда проникает к со­седним проводам. Это обстоятельство позволяет рассматривать




Рис.15. Корона при переменном напряжении.

а — изменение во времени приложенного напряже­ния (u)и напряженности поля на поверхности про­вода (е_ПР); б — емкостный ток i_С и ток короны i_К.
процессы, происходящие вблизи проводов различных фаз, независимо друг от друга. Вследствие возвратно-поступательного характера

движения зарядов отрицательные ионы, возникшие в отрицательный полупериод изменения напряжения, возвращаются в зону ионизации в положительный, полупериод и, распадаясь, приводят к снижению напряженности поля у провода до критической.

Рассмотрим изменение объемного заряда в окрестности одного из проводов и напряженности электрического поля на поверхности этого

провода при синусоидальном напряжении источника. Допустим, что

линия подключена к источнику в момент нуля напряжения. Показанная

на рис15синусоида в различных масштабах дает фазовое напряжение

источника и напряженность поля на поверхности провода, которые

связаны друг с другом зависимостью, справедливой при отсутствии короны:

(11),

где С— рабочая емкость линии.

Корона на проводе зажигается в момент времени t₁ когда напря­женность поля на поверхности провода станет равной mE₀. Для упрощения изложения будем в дальнейшем считать, что критическая напряженность Е_Кравна mE₀, где m=0,82-0,9 - коэффициент гладкости провода.

Напряжение при этом равно u_Ф=U_К. После зажигания короны в пространстве вокруг провода накапливается объемный заряд того же знака, что и заряд на про­воде. Объемный заряд уменьшает напряженность поля на поверх­ности провода, причем, как и для короны при постоянном напря­жении, в процессе горения короны напряженность поля на поверх­ности провода остается неизменной и равной Е_к.

Таким образом, после зажигания короны кривые напряжения и напряженности поля расходятся. Напряжение продолжает изме­няться по синусоиде, а напряженность поля остается неизменной. В связи с этим остается неизменным и заряд на проводе , аследовательно, и создаваемое этим зарядом напряже­ние . Разница напряжений (на рис. 15 заштрихована) поддерживается объемным зарядом, который в процессе роста напряжения постепенно увеличивается и достигает .

Так как объемный заряд распределен в пространстве, суммарный заряд оказывается существенно больше заряда , который был бы на проводе при том же напряжении, если бы корона отсутствовала. Таким образом, возникновение ко­роны сопровождается увеличением суммарного заряда и возраста­нием емкости линии от обычной величины С(она часто называется «геометрической» емкостью) до эквивалентной емкости , которая с ростом напряжения возрастает в связи с постепенным уда­лением объемного заряда от коронирующего провода.

После того, как напряжение источника достигло максимума, общий заряд должен начать уменьшаться. Так как заряд в объеме является малоподвижным, в первую очередь будет уменьшаться заряд на проводе. Это немедленно приведет к уменьшению напря­женности поля и погасанию короны. Что касается объемного заряда, то первое время после максимума напряжения он будет про­должать удаляться от провода, затем начнет двигаться в обратном направлении, но это перемещение будет происходить настолько медленно, что в первом приближении и объемный заряд и созда­ваемое им напряжение могут считаться неизменными.

В следующий полупериод корона загорится тогда, когда абсо­лютная величина напряженности поля на поверхности провода снова станет равной Е_К. Так как в этот момент в промежутке еще сохранился оставшийся от предыдущего полупериода объемный заряд противоположного знака, мгновенное значение напряжения (U_З)будет значительно меньше начального.

Из графика, приведенного на рис. 15 следует, что



но так как , то

U_З=2U_К-U_МАКС

Следовательно, если амплитуда напряжения источника U_МАКС более чем в 2 раза превышает напряжение зажигания короны, отрицательная корона может возникнуть еще в положительный полу­период (U_З>0).

После зажигания короны в отрицательный полупериод вокруг провода образуется отрицательный объемный заряд, который постепенно компенсирует положительный заряд, оставшийся от предыдущего полупериода. К моменту t₃ положительный объемный заряд оказывается полностью скомпенсированным, а после достижения напряжением амплитудного значения избыточный отрицательный заряд становится численно равным максимальному заряду в предыдущий полупериод.

Далее процесс повторяется, и во все полупериоды, кроме первого, источник отдает линии двойной заряд 2q_ОБ, половина кото­рого тратится на компенсацию заряда противоположной полярности. На рис.15, бприведена кривая изменения тока между проводами коронирующей линии. Во время горения короны ток значительно превышает емкостный ток , определяемый геометрической емкостью линии и напряжением источника. Ток короны i_K показан в виде гладкой кривой, однако в действительности, так же как и при постоянном напряжении, на эту гладкую кривую накладываются многочисленные кратковременные импульсы, осо­бенно мощные в положительный полупериод, которые являются источником радиопомех.

Для теоретического определения потерь на корону при переменном напряжении необходимо исследовать движение ионов в пространстве между проводами и изменение суммарного заряда. Если бы была известна зависимость суммарного заряда от на­пряжения (вольт-кулоновая характеристика), то потери мощности на корону

(12)

определялись бы площадью этой вольт-кулоновой характеристики,
Такая попытка теоретического определения потерь на корону была,
предпринята немецким ученым Майром, который предложил использовавшуюся широко формулу, а также Хольмом и Залесским.
Однако сильная зависимость потерь на корону от условий погоды,
как уже указывалось, выдвигает на первый план экспериментальные
методы.

Проводившиеся в последние годы эксперименты позволили уста­новить, что 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 очень высоких номинальных напряжениях пришлось бы применять провода чрезмерно большого сечения, в ряде случаев превышающего сечение провода, выбранное из условия передачи по линии заданной мощности.

Экономическое решение можно получить посредством примене­ния так называемых расширенных проводов. Это провода достаточно большого диаметра, обеспечивающего необходимое снижение напря­женности электрического поля на их поверхность. Для сохранения заданного сечения токоведущей части расширенные провода делаются полыми или заполняются непроводящей массой, например бумагой.

Другое решение, широко используемое у нас в стране, состоит в применении расщепленных проводов.

Для уменьшения потерь на корону вместо одного провода в фазе можно применить пучок проводников, находящихся друг от друга на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Такой пу­чок параллельно соединенных проводников называется расщепленным проводом.

При расчете потерь на корону в настоящее время принято различать следующие виды погоды:

хорошая погода. При этом поверх­ность провода остается сухой и чис­той. Однако к хорошей погоде относят обычно и условия повышенной влаж­ности воздуха, при которой на холод­ном проводе может конденсироваться влага. Хотя провода линии, находящейся под нагрузкой, нагреваются рабочими токами, благо­даря чему конденсация влаги делается гораздо менее вероятной, измерения на действующих линиях обнаружили повышенные потери при повышенной влажности воздуха. Поэтому для хорошей погоды целесообразно принимать коэффициент гладкости, близкий к нижнему пределу возможных значений, т. е. примерно 0,85;

туман сопровождается довольно интенсивным оседанием капе­лек воды на поверхности провода. Коэффициент гладкости при тумане примерно равен 0,7;

иней, гололед, изморозь приводят к образованию на поверх­ности провода кристаллов льда, имеющих форму иголок, которые сильно искажают электрическое поле. Коэффициент гладкости примерно равен 0,6;

Совершенно естественно, что такое разделение всего многооб­разия атмосферных условий на пять видов погоды является грубым приближением и не учиты­вает ряд деталей. В частности, некоторые наблюдения показы­вают, что при возникновении дождя потери на корону сначала резко возрастают, а в дальнейшем заметно падают даже при неизменной интенсивности дождя. Это явление объясняется тем, что на проводе в начале дождя возникают отдельные изоли­рованные друг от друга капельки воды, на поверхности кото­рых напряженность поля сильно возрастает. В дальнейшем эти капельки воды сливаются друг с другом, шероховатость провода уменьшается и потери падают. Хорошо известно также явление "старения" провода, которое заключается в том, что при первом включении вновь построенной линии потери на корону всегда осо­бенно велики, а с течением времени (месяцы) они постепенно умень­шаются до установившегося значения. Повышенные потери на но­вых линиях объясняются повреждением поверхности провода, когда его протаскивают по земле при подвеске на опоры. Образовав­шиеся при этом мелкие заусеницы являются очагами интенсивной местной короны, но за счет нагревания токами короны в присутст­вии образующихся при ионизации активных газов (атомарный ки­слород, озон, окись азота) постепенно разрушаются, благодаря чему потери на корону стабилизируются. Из этих примеров следует, что даже при одних и тех же условиях погоды потери на корону могут быть существенно различными, поэтому любые расчеты по­терь на корону могут дать лишь средние величины.

Ток короны в каждом очаге ионизации состоит из ряда кратковременных импульсов, наиболее мощные из которых связаны с образованием стримеров в чехле короны. В линиях электропередачи все эти радиальные коронные токи складываются и создают некоторый продольный ток, проходя­щий по проводам линии и замыкающийся через источник. Так как и радиальный и продольный токи содержат очень высокие частоты, коронный разряд на линии сопровождается электромагнитным излу­чением, часть спектра которого находится в диапазоне от 0,15 до 100 МГц.

Расчеты показывают, что даже непосредственно под проводами линии высокочастотное электромагнитное поле в основном создается током в проводах, так как излучение радиального тока очень быстро затухает по мере удаления от очага ионизации. Поэтому все теоре­тические работы по радиопомехам посвящены анализу распростра­нения коронного тока вдоль линии и возникающего при этом элект­ромагнитного поля.

Так же как и потери на корону, радиопомехи сильно зависят от условий погоды.
Контрольные вопросы

1. 
   Объясните, как происходит процесс ионизации в коронном разряде?
   
2. 
   Назовите виды и основные характеристики коронных разрядов при постоянном напряжении.
   
3. 
   Опишите процесс образования короны при переменном напряжении.
   
4. 
   Назовите методы ограничения потерь на корону.
   
5. 
   Объясните влияние атмосферных явлений на величину потерь на корону.