лекционный курс. Лекционный курс. Лекционный комплекс дисциплина tvn 3319 Техника высоких напряжений
 Скачать 2.74 Mb.
|
|
Тема 2 Электрические разряды в воздухе. (6 часов) План лекции 1 Электрические разряды в воздухе. 2 Виды электрического разряда в газах. 3 Разряды вдоль поверхности твердой изоляции. 4 Разряды в равномерных и не равномерных электрических полях. 5 Способы повышения прочности воздушных промежутков. 6 Коронный разряд и его характеристики. Электрические разряды в воздухе. Атмосферный воздух как диэлектрик. Провода ЛЭП, шины РУ, выводы трансформаторов изолированы друг от друга воздушными промежутками (изоляцией является воздух). Нарушение прочности таких конструкций происходит, как путём пробоя твёрдого диэлектрика, из которого изготовлены изоляторы так и в результате разряда в воздухе или вдоль поверхности твердого диэлектрика. Для обеспечения надёжной и без аварийной работы изоляционных конструкций необходимо знать, влияние на электрическую прочность атмосферного воздуха (газов) различных факторов: рода тока, длительности приложенного напряжения, температуры, давления, характера электрического поля. В атмосферном воздухе помимо нейтральных молекул за счет воздействия естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение солнца, радиоактивное излучение земли) всегда имеется некоторое количество свободных носителей зарядов ионов и электронов, которые сообщают газу определённую проводимость. Мощность естественных ионизаторов мала; в результате их воздействия ежесекундно в воздухе образуется около одной пары носителей зарядов на кубический сантиметр (плотность зарядов 1,6*10 –6 Кл/см3 за 1 сек) такое же количество зарядов подвергается рекомбинации, число зарядов остаётся постоянным и равным 500 – 1000 пар ионов на 1 см3 . Если к пластинам плоского воздушного конденсатора с расстоянием d между электродами приложить напряжение, то в цепи установится ток плотность которого равна: J=2ρ0d=3.2* d*10-19А/см2=3,2*d*10-15 А/м2 Применение искусственных ионизаторов во много раз увеличивает плотность тока в газе, например при освещение газового промежутка ртутно-кварцевой лампой плотность тока в газе возрастает до 10 –8А/м2. при наличие искрового разряда в близи ионизируемого объема создаются токи плотностью 10-6 А/см2. Виды электрического разряда в газах. Рассмотрим зависимость тока проходящий через газовый промежуток, от величины приложенного напряжения рис 1. в начале поморе увеличения напряжения ток в промежутке возрастает за счет, что большего количества зарядов попадает под действие электрического поля на электроды (участок ОА). На участке АВ ток практически не меняется, так как все образующиеся за счёт внешних ионизаторов заряды попадают на электроды. Величина тока насыщения Iз на участке определяется интенсивностью воздействия на промежуток ионизатора. При дальнейшем увеличении напряжения ток резко возрастает (участок ВС), что говорит об интенсивности развития ионизации газа под действием электрического поля.      I Д С Uo Is А В О  Рис. 1 – Вольт амперная характеристика газового разряда При напряжении Uо происходит резкое увеличение тока в промежутке, который при этом теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник (участок СД)Явление, при котором между электродами газового промежутка возникает канал высокой проводимости, называют электрическим разрядом (пробоем газового промежутка). Электрический разряд, соответствующий участку ОАВС вольтамперной характеристики (ВАХ), называют не самостоятельным, так как ток в газовом промежутке определяется интенсивностью воздействующего ионизатора. Разряд на участке СД называю самостоятельным, так как ток разряда зависит от параметров электрической системы (сопротивление и мощность источника питания) и для его подержания не требуется образование заряженных частиц за счет внешних ионизаторов. Напряжение Uо, при котором начинается самостоятельный разряд, называют начальным напряжением. Формы самостоятельного разряда в зависимости от условий, в которых протекает разряд, могут быть различными. При малых давлениях, когда из-за небольшого количества молекул газа в единице объёма промежуток не может приобрести большую проводимость, возникает тлеющий разряд. Плотность тока при тлеющем разряде не велика (10-15 А/м2) он охватывает всё пространство между электродами. Примером тлеющего разряда является разряд в лампах дневного света, неоновых лампах. При давление газа близкого к атмосферному и выше, если мощность источника питания не велика или напряжение прикладываемое к промежутку на короткое время, имеет место искровой разряд. В этих условиях разряд развивается в виде узкого канала между электродами, концентрация ионов может достигать больших значений, но величина тока ограничена мощностью источника, и в результате канал разряда распадается, после чего может начаться формирование нового канала разряда. При переменном напряжение искровой разряд имеет вид ряда отдельных искр, последовательно возникающих между электродами. В случае значительной мощности источника питания искровой разряд переходит в дуговой, при котором через промежуток может протекать ток, достигающий сотен и тысяч ампер. Такой ток способствует разогреву канала, увеличению его проводимости и дальнейшему росту тока. При кратковременном приложении напряжения искровой разряд в дуговой не переходит. В резко неоднородных полях самостоятельный разряд начинается всегда в виде коронного разряда, который развивается только в той части газового промежутка, где напряженность поля наиболее высока (около острых краев электродов). При коронном разряде между электродами не возникает сквозного канала высокой проводимости, то есть промежуток сохраняет свои изолирующие свойства. Наличие коронного является нежелательной в изоляционных конструкциях. При дальнейшем увеличение разряда разряд переходит в искровой или дуговой. Разряды вдоль поверхности твердой изоляции. В электрических конструкциях газообразные диэлектрики сочетаются с твёрдыми. В таких случаях разряды могут проходить по поверхности твердых диэлектриков, при равномерном поле когда линии напряженности эл.поля проходят вдоль поверхности диэлектрика. При относительной влажности воздуха более 50 % образуются сплошные полоски влаги на поверхности диэлектрика, от одного электрода к другому. При сплошном слое влаги происходит перемещение зарядов и накопление их у поверхности электродов, поле у поверхности диэлектрика искажается и разряд развивается в условиях неравномерного эл.поля (соответствует игольчатым электродам). Если поверхность плохо смачивается (например парафин) и сплошной плёнки влаги не образуется, то напряжение приближается к пробивным для воздуха при равномерных полях.  При влажности воздуха менее 50 % пробивные напряжения остаются высокими (для постоянного и переменного 50 Гц). Выделяющееся тепло вызывает местный разогрев поверхности и создаётся дополнительная ионизация воздуха, что облегчает разряд. При повышение напряжения приложенного к электродам разряд протекает в две стадии. Вначале у электродов появляется свечение, далее – светящиеся полосы (светящиеся нити), при высоких напряжениях отдельные сквозящие разряды, завершают полное поверхностное перекрытие диэлектрика. По Темплеру, при переменном напряжение сквозящие разряды возникают при напряжении  Сп – поверхностная емкость, Δ - толщина диэлектрика. в изоляторах, чтоб получить нужные разрядные характеристики, без значительного увеличения габаритов, делают ребра на боковой поверхности. При этом увеличивается разрядное расстояние и напряжение. Для изоляторов с ребрами разряд частично развивается по поверхности и частично по воздуху. Разрядные напряжения таких конструкциях определяется опытным путём. Величины разрядных напряжений зависят от состояния поверхности диэлектрика. При мокрой поверхности (под дождём) разрядное напряжения при 50 Гц примерно вдвое ниже, чем при сухой. В большей степени снижаются разрядные напряжения при увлажнение и загрязнение поверхности. В зависимости от загрязнения поверхности разрядные напряжения могут составлять 25-50% от мокроразрядных. Разрядные напряжения при импульсных напряжениях мало зависит от увлажнения и загрязнения и приближается к сухоразрядным. Разряды в равномерных и не равномерных электрических полях. Разрядное напряжение в равномерном поле. Для самостоятельного разряда в промежутке с однородным полем, необходим его пробой. Up=EpL Разрядное напряжение является функцией произведения длинны промежутка и относительной плотности газа Up=f (δL) если одновременно менять плотность газа и длину промежутка, чтобы их произведение не менялось, то и не изменится разрядное напряжение (закон Пашена). Если принять L постоянной, то при увеличение δ уменьшается вероятность ионизации.    10кВ 1 кВ   10-4 10-3 10-2 10-1 δL,см Разряды в неравномерных полях. В большинстве электроустановках поля неравномерные: напряженность поля в различных точках межэлектродного промежутка различные. Развитие разряда имеет особенности в отличие от полей однородных, прежде всего ударная ионизация возникает не во всем объёме газа между электродами, а в местах наибольшей напряженности электрического поля. При этом возникает коронный разряд, пробой промежутка происходит при большем напряжение когда ударная ионизация распространяется на большую область межэлектродного пространства. Разряд в неравномерных полях характерен двумя напряжениям: начальным (коронным) и пробивным. Пробивные напряжения неравномерных полях значительно ниже, чем в равномерных, при одинаковых расстояниях между электродами (при большей кривизне электродов напряженность поля более высока). Форма электродов влияет на разрядное напряжение. Способы повышения прочности воздушных промежутков. Электрическая прочность разрядных промежутков может быть повышена путём увеличения радиуса кривизны электродов с помощью экранов. При этом увеличивается как начальное так и пробивное напряжение в следствие уменьшения степени неоднородности поля. Другой способ повышения прочности применение диэлектрических барьеров. Барьер устанавливается в коронирующих промежутках перпендикулярно силовой линии промежутка. Влияние барьера обусловлено осаждением на его поверхности зарядов того же знака, что и коронирующего электрода в результате напряженность поля между электродами и барьером снижается, увеличивается прочность промежутка, но возрастает напряженность между другим электродом. Однако поле делается более равномерным и прочность промежутка увеличивается. Электрическая прочность промежутка зависит от положения барьера, наибольшая прочность барьера достигается при его расположение от коронирующего электрода на расстояние 1/5 –1/6 длинны промежутка. Электрическая прочность промежутка увеличивается примерно в 2 раза. Если коронирую два электрода то барьеры устанавливаются вблизи обоих электродов. Барьеры применяются как в переменном так и в постоянном токе, менее эффективны при импульсных напряжениях, так как барьер не успевает за короткое время зарядиться. Коронный разряд и его характеристики. Коронный разряд на проводах линий электропередачи. Начальная напряженность коронного разряда для гладких проводов вычисляется по:  На линиях электропередачи применяются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности, поэтому при одинаковых с гладкими проводами напряжениях и внешних диаметрах напряженность электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряженности форма поверхности витого провода учитывается коэффициентом гладкости т, на который умножается правая часть формулы. Для проводов различных марок коэффициент гладкости составляет т=0,82÷0,94. Корона на проводах сопровождается потерями энергии и вызывает помехи радиоприему. 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 много меньше. Ток коронного разряда содержит отдельные импульсы с очень крутым фронтом (десятки наносекунд), особенно мощные при стримерной короне. Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот (0,15—100 МГц), которое создает помехи радиоприему, особенно сильные вблизи линии электропередачи. Во время коронирования напряженность поля у поверхности провода остается равной Ен. Увеличение напряжения на проводе приводит к усилению ионизационных -процессов и росту объемного заряда. Вследствие увеличения объемного заряда потери энергии на корону растут в тем большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение  где r— радиус провода; Н— высота его над землей. При перемещении объемного заряда от провода напряженность поля у его поверхности стремится увеличиться. Однако из-за ионизации воздуха объемный заряд вблизи провода при этом пополняется и напряженность поля сохраняется равной Ен.Таким образом, вследствие непрерывного удаления объемного заряда от провода коронный разряд может поддерживаться неограниченно долго. При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряженность поля у провода достигает значения Ен,и горит, пока напряжение не достигнет максимума. После этого напряженность поля у провода становится ниже Ени корона затухает. Поскольку напряженность поля у провода усиливается объемным зарядом, оставшимся от предшествующего полупериода, то мгновенное значение напряжения, при котором корона зажигается в каждый полупериод (напряжение зажигания), меньше начального напряжения. Чем выше напряжение на проводе, тем больше напряжение зажигания отличается от начального напряжения. Таким образом, при переменном напряжении коронирование проводов более интенсивно, чем при постоянном напряжении, и при равных условиях потери энергии на корону существенно больше. На характеристики коронного разряда — начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи — значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность электрического поля у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение короны при этом резко снижается. Для оценки начальной напряженности и начального напряжения по можно принять коэффициент гладкости провода при инее, гололеде и изморози т=0,6. В условиях дождя или снега коэффициент гладкости зависит от интенсивности осадков и принимается в пределах т=0,73÷0,57. Потери энергии на корону и радиопомехи. Потери энергии на корону и уровень радиопомех зависят от рабочей напряженности электрического поля на поверхности провода. Поэтому исключить коронирование проводов в хорошую погоду можно надлежащим выбором их диаметра. Начальное напряжение короны на проводах не должно быть ниже наибольшего рабочего напряжения линии относительно земли. Для линий электропередачи напряжением 110 и 220 кВ наименьшие расчетные диаметры проводов, при которых исключается корона в хорошую погоду, составляют соответственно 1 и 2 см (при нормальном атмосферном давлении). При номинальных напряжениях 330 кВ и выше необходимы провода еще большего диаметра, во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности. В таких случаях целесообразно иметь провода, площадь поперечног  о сечения которых по проводящему материалу и диаметр независимы; это так называемые расширенные провода. 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 широкое распространение, состоит в применении расщепленных проводов. В этом случае каждая фаза линии состоит не из одного провода большого диаметра, а из нескольких параллельных проводов относительно малого диаметра. В такой конструкции фазы удается при требуемом суммарном сечении проводов, существенно уменьшить максимальную напряженность поля на их поверхности. Решающим является то, что заряд каждого провода q1 составляет только часть общего заряда расщепленной фазы qф:  где n — число проводов в фазе; Ср,ф — емкость единицы длины расщепленной фазы; Uф— фазное напряжение. Если провода располагаются на равных расстояниях по окружности радиусом rр, называемым радиусом расщепления, то в трехфазной системе емкость расщепленной фазы определяется как  где S — среднегеометрическое расстояние между фазами, а  - эквивалентный радиус одиночного провода, имеющего ту же емкость, что и расщепленная фаза.Средняя напряженность электрического поля на поверхности проводов расщепленной фазы с учетом и определяется как  а максимальная как  где  - коэффициент, учитывающий усиление напряженности поля вследствие влияния зарядов на соседних проводах расщепленной фазы.Наиболее существенное влияние на максимальную напряженность электрического поля оказывает радиус расщепления. При увеличении гр, с одной стороны, уменьшается влияние зарядов соседних проводов, а с другой стороны, увеличивается емкость фазы и соответственно ее заряд. Поэтому существует оптимальный радиус расщепления, при котором Emaxимеет наименьшее значение. 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. Такую корону называют местной в отличие от общей короны, существующей на всей поверхности проводов при Е>Ен. Поскольку годовые потери энергии на корону составляют заметную величину и могут достигать 40% потерь на нагрев проводов, они оказывают влияние на технико-экономические характеристики линии электропередачи. Оценка потерь энергии на корону производится по экспериментально полученным данным. В одном из способов используются обобщенные характеристики потерь для разных погодных условий. Для трассы линии электропередачи определяется по метеорологическим данным годовая продолжительность отдельных видов погоды в часах: хорошей погоды hх,п, дождя hд, снега hc и изморози hи. Затем по отношению Emaх /En из кривых по рис. 4.3 находят мощность потерь для разных погодных условий. Годовые потери энергии на корону Ак, кВт∙ч/км, определяются как  где N— общее число проводов в трех фазах линии.  Среднегодовая мощность потерь на корону Рcr, кВт/км,  Для одиночных проводов фаз рабочая напряженность электрического поля определяется при n=1 и rэк=r. Коронный разряд на линиях электропередачи создает помехи радиоприему, особенно сильные при плохой погоде. Допустимая напряженность электрического поля помех нормируется при частоте 1 МГц и должна составлять в хорошую погоду не более 50 мкВ/м на расстоянии 50 м от линии электропередачи для линий 330—750 кВ. Снижение интенсивности радиопомех может быть достигнуто уменьшением рабочей напряженности поля на проводах линии электропередачи. Рекомендуемая литература 1. Техника высоких напряжений: учебное пособие/В.А. Бутенко, В.Ф. Важов, Ю.И. Кузнецов, Г.Е. Куртенков, В.А. Лавринович, А.В. Мытников, М.Т. Пичугина, Е.В. Старцева–Томск: Изд–во ТПУ, 2010.–119с 2. Закарюкин В.П. Техника высоких напряжений: Конспект лекций. - Иркутск: ИрГУПС, 2005. - 137 с. 3. М.А. Аронов, О.А.Аношин, О.И.Кондратов, Т.В.Лопухова. Ограничители перенапряжений в электроустановках 6-750 кВ. Под ред. М.А.Аронова - М.: "Знак", 2001. Контрольные задания для СРС: 1 Разряды в равномерных и не равномерных электрических полях. 2 Пробой жидких диэлектриков. 3 Пробой твёрдых диэлектриков. 4 Тепловой пробой диэлектриков. |