_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: 5 из 10

Лекция 3.
3. РАЗРЯД В ВОЗДУХЕ ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА



Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток может существенно изменять условия, и даже механизм развития разряда. При этом величина разрядного напряжения, как правило, снижается и зависит уже не только от плотности воздуха и формы электрического поля, но ещё и от свойств твердого диэлектрика, состояния его поверхности и расположения её относительно силовых линий поля.

Для изучения общих закономерностей развития разрядов вдоль поверхностей твердого диэлектрика, необходимо для рационального конструирования изоляторов, используют простейшие изоляционные конструкции с однородными и резконеоднородными полями и с разным положением и состоянием поверхности твердого диэлектрика. Так, важнейшие особенности разряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора можно проследить на примере конструкций, показанных на рис. 16 а-в. Первая из них – с однородным электрическим полем – редко встречается в реальных установках, однако удобна для изучения влияния ряда факторов на разрядное напряжение.

Конструкции с резконеоднородными полями по рис.16, б и в представляют собой соответственно простейшие опорный и проходной изоляторы и встречаются в других изоляционных конструкциях. Они различаются, прежде всего расположением поверхности относительно силовых линий поля. В конструкции, изображенной на рис.16, б, во всех точках поверхности твердого диэлектрика



Рис.16. Характерные конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком.
тангенциальная составляющая напряженности, направленная вдоль поверхности, преобладает над нормальной составляющей. В другом случае (рис.16, в), наоборот, нормальная составляющая напряженности у поверхности твердого диэлектрика больше тангенциальной. Кроме того, в этом случае канал разряда, развивающегося по поверхности, имеет значительно большую емкость относительно другого электрода, что существенно, влияет на разрядное напряжение. Специфический механизм развития вдоль смоченной дождем или загрязненной и увлажненной поверхности изолятора удобно изучать на конструкции по рис. 16, б с гладкой или сложной поверхностью твердого диэлектрика.
3.1. Разряд вдоль поверхности в однородном поле
В присутствии диэлектрика, расположенного, как показано на рис.16, а, электрическое поле, казалось бы, остается однородным. Поэтому естественно предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте, а разрядное напряжение будет таким же, как и для чисто воздушного промежутка. Однако в воздухе разряд всегда развивается вдоль поверхности диэлектрика и при напряжении, более, низком, чем в чисто воздушном промежутке. Экспериментально установлено, что значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбированная на поверхности диэлектрика влага. Материалы, обладающие гигроскопичностью (стекло, бакелитовая бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (винипласт, парафин). При этом существенное значение имеет длительность воздействующего напряжения: снижение прочности при постоянном и переменном (50Гц) напряжениях больше, чем при импульсах, что свидетельствует об относительно медленном развитии влияющего процесса.

Дело в том, что адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содержит свободные ионы обоих знаков, которые в электрическом поле смещаются, образуя объемные разряды. При этом поле в середине промежутка ослабляется, а вблизи электродов усиливается, что и приводит к снижению разрядного напряжения. Объемный заряд больше при высокой проводимости по поверхности, обусловленной гигроскопичностью диэлектрика, и при длительном воздействии напряжения. При коротких импульсах и высокой частоте сместиться успевает малое число ионов, электрическое поле искажается слабо и разрядное напряжение снижается незначительно. Большое влияние на величину разрядного напряжения оказывает неплотное прилегание электродов к диэлектрику.

Из-за различия диэлектрических проницаемостей воздуха и диэлектрика в воздушных прослойках создается местное увеличение напряженности, и в них при сравнительно низком напряжении на промежутке начинаются ионизационные процессы. Образующиеся при этом ионы создают объемные заряды и искажают электрическое поле, а излучение из зоны ионизации способствует появлению начальных электронов.

В изоляционных конструкциях неплотное прилегание электрода к диэлектрику устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких прокладок или посредством металлизации поверхностей диэлектрика, соприкасающихся с электродами.
3.2.Разряд вдоль поверхности в резконеоднородном поле
В конструкции, изображенной на рис.16, б, электрическое поле неоднородно, поэтому у неё разрядное напряжение при равных прочих условиях ниже, чем у конструкции с однородным полем. Однако в этом случае гигроскопические свойства диэлектрика много меньше влияют на разрядное напряжение, чем в однородном поле, так как процессы в адсорбированной на поверхности диэлектрика влаге могут лишь немного увеличить и без того значительную неоднородность поля.

В конструкции, приведенной на рис 16, в, напряженность электрического поля имеет наибольшее значение у края короткого электрода. Поэтому в этом месте при относительно небольшом напряжении возникает корона, которая наблюдается в виде полоски неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширяется и возникают стримеры.

При относительно небольших толщинах твердого диэлектрика каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности, имеют достаточно большую ёмкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходит сравнительно большой ток. При определённом напряжении ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов увеличивается и в них становится возможной термическая ионизация. В результате этого каналы разряда преобразуются: сопротивление резко падает, интенсивность свечения возрастает. Эти преобразованные каналы получили название каналов скользящих разрядов.

Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико, поэтому длина из резко увеличивается с ростом приложенного напряжения и процесс завершается полным перекрытием промежутка.

Чем больше ток в канале разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, следовательно, длиннее скользящий разряд и ниже напряжение перекрытия.

Ток в свою очередь определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Поэтому чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение при неизменном расстоянии между электродами по поверхности диэлектрика. Таким образом, разрядное напряжение может быть связано с емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. В качестве величины, характеризующей емкостью канала, используют удельную поверхностную емкость, т.е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Одной из мер является, уменьшение удельной поверхностной емкости посредством увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого начинается обычно разряд. В качестве другой меры применяется регулирование электрического поля вдоль поверхности изолятора с помощью полупроводящих покрытий.

При постоянном напряжении заряды, образующиеся вследствие ионизационных процессов, оседают на поверхности диэлектрика, постепенно выравнивают распределение напряжения, затрудняя образование скользящих разрядов. Удельная поверхностная емкость перестает играть определяющую роль, и величина разрядного напряжения сохраняется высокой, приближаясь к разрядному напряжению воздушного промежутка.

Лекция 4.
3.3. Разряд вдоль смоченной дождем или загрязненной и увлажненной поверхности

На поверхностях изоляторов, установленных на открытом воздухе, могут оседать различные загрязнения, неизбежно присутствующие в атмосфере и разносимые ветром. Загрязнения в сухом состоянии, как правило, имеют весьма высокое сопротивление и не оказывают существенного влияния на разрядные характеристики изоляторов. Увлажнение слоя загрязнения при дожде, росе или других мокрых осадках приводит к резкому уменьшению его сопротивления вследствие образования слабого электролита из водорастворимых составляющих загрязняющего вещества. При этом механизм развития разряда вдоль поверхности качественно меняется, величины разрядных напряжений значительно снижаются.

Аналогичная картина наблюдается и при смачивании чистой поверхности изолятора дождем, когда стекающая по изолятору дождевая вода, имеющая относительно невысокое удельное объемное сопротивление (около 10³ Ом•м), образует слой с достаточно большой проводимостью.

Чтобы пояснить механизм развития разряда в указанных условиях и выявить факторы, влияющие на величину разрядного напряжения, рассмотрим процессы на загрязненной и увлажненной или смачиваемой дождем поверхности в конструкции с

твердым диэлектриком в виде цилиндра сложной формы, показанной на рис.17. При этом будем считать, что увлажненное загрязнение или дождевая вода образовали на поверхности слой толщиной с удельным объемным сопротивлением . Далее для краткости этот слой будем называть слоем загрязнения, имея в виду, что аналогичные процессы протекают и в слое дождевой воды.

Под действием приложенного напряжения U в слое загрязнения будет проходить ток утечки , где R_У – полное сопротивление, утечки по поверхности, определяемое выражением

(13),

где l – расстояние от одного из электродов до элементарного участка dl,



Рис 17. Воздушный промежуток с диэлектриком, поверхность которого загрязнена или смачивается дождем.
определяемое вдоль поверхности по линии тока; L_У – полная длина течки по поверхности твердого диэлектрика; D(l) – диаметр цилиндра из твердого диэлектрика, зависящий от расстояния l.

Примем далее для простоты, что слой загрязнения равномерный, т.е. не зависят от l. Тогда выражение для R_У можно записать в виде

(14)

где D_Э=L_У / / D(l) – эквивалентный диаметр цилиндра из твердого диэлектрика.

Ток утечки I_У нагревает слой загрязнения, увеличивая скорость испарения влаги с поверхности диэлектрика. Вследствие изменения плотности тока вдоль сложной поверхности, а в реальных условиях и из-за неоднородности слоя загрязнения поверхность нагревается неравномерно и скорость испарения влаги на отдельных участках разная. С ростом напряжения ток I_У и нагрев поверхности увеличиваются. При некотором значении напряжения, зависящем от интенсивности мокрых осадков, скорость испарения на наиболее нагретом участком, становится выше скорости поступления влаги. Поверхность на этом участке высыхает, его сопротивление резко увеличивается, вследствие чего практически все напряжение оказывается приложенным к этому небольшому промежутки все напряжение оказывается приложенным к этому небольшому промежутку на поверхности. Происходит его перекрытие с образованием частичной дуги длиной в несколько миллиметров.

Ток в канале дуги ограничивается сопротивлением оставшегося влажным участка поверхности. При малой длине частичной дуги последнее практически сохраняет свое прежнее значение .

Если сопротивление R_У велико, а ток соответственно мал, то дуга оказывается неустойчивой и быстро гаснет. При случайных изменениях интенсивности осадков высушенный участок может вновь увлажниться и весь процесс повторится. Образование кратковременных или, как говорят, перемежающихся дуг, не означает нарушения электрической прочности изоляционного промежутка. Однако длительное воздействие перемежающихся дуг на твердый диэлектрик может вызвать его разрушение с образованием на поверхности проводящих обугленных следов – треков, появление которых вызывает резкое снижение разрядного напряжения даже при сухой поверхности диэлектрика. Поэтому диэлектрики, используемые для изготовления изоляторов наружной установки должны обладать высокой стойкостью к воздействию частичных дуг, т.е. трекингостойкостью.

При некотором значении тока частичная дуга не гаснет, а быстро – со скоростью до 50 м/с – растягивается и перекрывает весь изоляционный промежуток. Следовательно, перекрытие промежутка вдоль смачиваемой дождем или загрязненной и увлажненной поверхности твердого диэлектрика происходит, если ток утечки по поверхности достаточен для подсушки участка поверхности и если он достаточен для образования устойчивой частичной дуги.

Очевидно, чем больше сопротивление R_У, тем выше должно быть напряжение, при котором выполняются указанные условия.

Таким образом, разрядное напряжение в рассматриваемых условиях зависит от тех же параметров, что и сопротивление утечки о поверхности. Можно показать, что эта зависимость имеет вид:

(15),

где k₁ – экспериментально определяемый коэффициент.

Формула (15) является приближенной, однако она достаточно правильно отражает зависимость разрядного напряжения от полной длины утечки по поверхности и удобна для оценки влияния на U_Р конструкции изоляторов и условий их работ.

Рассмотренный выше механизм перекрытия вдоль поверхности связан с относительно медленным процессом подсушки поверхности, который может иметь место лишь при длительно воздействующем – рабочем напряжении. При кратковременных перенапряжениях частичные дуги могут возникать при более высоких значениях напряжения вследствие разрядных процессов воздухе над увлажненной поверхностью в местах с наиболее высокими напряженностями.

Продолжительность перенапряжений может оказаться недостаточной для растягивания дуги на весь промежуток. Поэтому дождь и влажные загрязнения практически не влияют на импульсные разрядные напряжения вдоль, поверхности изоляторов.
Контрольные вопросы

1. 
   Объясните влияние процессов в воздушном промежутке на развитие разряда.
   
2. 
   Как развивается разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика на примере конструкции с резко неоднородными полями?
   
3. 
   Как развивается разряд вдоль поверхности в однородном поле?
   
4. 
   Какое влияние оказывает изменение состояния поверхности на развитие разрядов?
   
5. 
   Назовите условия образования перемежающихся дуг.
   
6. 
   Что такое треки? Их влияние на разрядное напряжение.
   

Лекция 5.
4. ИЗОЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
4.1. Общие сведения
Внешняя изоляция воздушных линий электропередачи и распределительных устройств (РУ) состоит из ряда чисто воздушных промежутков между проводами или шинами разных фаз и заземлен­ными конструкциями, а также воздушных промежутков вдоль по­верхностей изоляторов, на которых крепятся провода или шины. Кроме того, в РУ к ней относится внешняя изоляция оборудования, присоединенного к шинам подстанции.

Воздушные линии и РУ имеют и внутреннюю изоляцию. На ли­ниях ее составляет внутренняя изоляция линейных изоляторов, а в РУ — внутренняя изоляция различных изоляторов и высоко­вольтного оборудования: силовых и измерительных трансформато­ров, коммутационных аппаратов и т. д.

При использовании стандартного оборудования и изоляторов проектирование изоляции воздушных линий и РУ сводится к опре­делению необходимых изоляционных расстояний по воздуху и выборуизоляторов для крепления проводов или шин.

Изоляцию линий электропередачи в пролетах между опорами образуют воздушные промежутки провод — земля, провод — про­вод и провод— трос. Первый из них имеет минимальную длину в середине пролета и выбирается с учетом возможного сокращения изоляционного расстояния при проезде под линией транспорта. Расстояния между фазами определяются необходимой электриче­ской прочностью изоляции и требованиями безопасности при подъеме монтера на стойку опоры для проведения работ под напряжением. По условиям безопасности расстояния от проводов (или арматуры) до ближайших частей опоры должны быть, например, на линиях 330 кВ не менее 2,8 м, а на линиях 500 кВ — не менее 5,3 м. При этом должна быть еще учтена возможность отклонения гирлянд изоляторов под действием ветра.

Изоляция линий на опорах включает в себя, помимо изоляторов, ряд воздушных промежутков, число которых зависит от конструк­ции опор и определяется возможными путями развития разряда. Так, на металлических и железобетонных опорах может происхо­дить пробой воздушного промежутка между проводом и одним из элементов конструкции опоры или перекрытие гирлянды. Например, на опоре, приведенной на рис. 18, а, возможен пробой воздушного промежутка по пути а—б или перекрытие по пути а—а.

На линиях с деревянными опорами, кроме изоляторов, дополни­тельной изоляцией служат деревянные стойки и траверсы. При наличии грозозащитных тросов (рис. 18, б) может происходить либо перекрытие по пути а—а, включающем гирлянду изоляторов и часть траверсы, либо пробой воздушного промежутка по пути а—б между проводом и спуском, соединяющим трос с заземлителем. На дере­вянных опорах без тросов (рис. 18, б) может происходить перекры­тие между проводами разных фаз по пути а—в или пробой по пути а—г, который включает воздушный промежуток а—б и участок стойки опоры б—г.

Пути, по которым может произойти развитие разряда во внеш­ней изоляции РУ, определяются взаимным расположением шин и заземленных конструкций (порталов и т. д.), размещением и кон­структивными особенностями высоковольтного оборудования.



Рис. 18. Возможные пути перекрытия изоляции на промежуточных опорах оздушных линий.

а— металлическая опора портального типа с оттяжками линии 500 кВ; б — деревян­ная опора линии 110 кВ с тросами; в — деревянная опора линий 110 кВ без тросов.
На воздушных линиях и в РУ в настоящее время применяются фарфоровые и стеклянные изоля­торы нескольких типов. В последние годы большое внимание уде­ляется разработке траверс из изоляционных материалов, примене­ние которых позволит уменьшить габариты и стоимость опор воздушных линий электропередачи. Наиболее перспективными мате­риалами для этих целей считаются эпоксидные компаунды, арми­рованные для повышения механической прочности стекловолокном. Основная трудность состоит в создании компаундов с достаточно высокой трекингостойкостью.У нас в стране ведутся также разработки элементов опор из изоляционного бетона.

Как показывают расчеты, для воздушных линий и РУ экономически целесообразно допускать небольшое число аварийных отключений из-за перекрытия внешней изоляции при редких, особо неблаго­приятных условиях. Благодаря этому удается снизить требования к электрической прочности внешней изоляции, сократить изоля­ционные расстояния и стоимость сооружения линий и РУ. Вместе с тем средний ущерб от одного такого отключения получается относительно небольшим из-за способности внешней изоляции быстро восстанавливать свою электрическую прочность. Поэтому при малых числах аварийных отключений экономия от снижения требований к внешней изоляции оказывается больше, чем ущерб от аварийных отключений, вызванных перекрытиями изоляции.
Снизить требования к электрической прочности внешней изоляции позволяют и средства, ограничивающие число и амплитуды перенапряжений, в частности средства молниезащиты, а также устройства, позволяющие быстро устранять дуговые замыкания, возникшие в результате перекрытия внешней изоляции (дугогасящие аппараты, АПВ).
Таким образом, конкретные требования к электрической прочности внешней изоляции воздушных линий и РУ, а также допустимые числа аварийных отключений из-за перекрытия изоляции могут быть определены лишь на основании технико-экономических расчетов, учитывающих стоимость сооружения линий и РУ, затраты на средства ограничения перенапряжений и устранения дуговых замыканий, а также ущерба от аварийных отключений. В таких расче­тах используются статистические методы, которые учитывают слу­чайный характер изменения метеорологических условий, появления перенапряжений, а также процессов пере­хода перекрытия внешней изоляции в ус­тойчивое замыкание.

При проектировании воздушных линий 330 кВ и более высоких классов напряже­ния считается допустимым 0,1—0,2 отклю­чения на 100 км линии в год; для линий более низкого напряжения допускается большее число отключений.

К внешней изоляции РУ предъявляют­ся более высокие требования в отношении надежности, так как при аварийном от­ключении шин подстанции ущерб значительно больше, чем при отключении линии. Вместе с тем внешняя изоляция РУ рабо­тает в условиях более благоприятных, нежели изоляция линий: относительно не­большая площадь РУ надежно защищается от прямых ударов молнии, амплитуды волн грозовых перенапряжений, приходящих с воздушных линий, ограничиваются вентильными разрядниками. Последние устанавливаются для защиты внутренней изоляции наиболее дорогостоящего оборудования — силовых трансформаторов, реакторов и т. д., но защищают и внеш­нюю изоляцию РУ. В случае закрытых РУ, когда ошиновка и высоковольтное оборудование размещаются в специальных поме­щениях, исключается возможность сильного загрязнения и увлажнения поверхностей изоляторов.