Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
10.3.1. Измерение токов электризации а) Для жидких и сыпучих диэлектриков измерение токов осуществляют путем секционирования и изолирования отдельных секций трубопроводов и оборудования (рис. 10.7). Накопи- тельный резервуар Насос Фильтр Сепаратор Приемный резервуар I 1 I 2 I 3 I ф I 4 I с I 5 I вх Рис. 10.7. Измерение токов электризации для жидких и сыпучих материалов Суммарный входной ток в резервуар является суммой токов электризации: I вх = I 1 + I 2 + I 3 + I ф + I 4 + I с + I 5 б) При движении диэлектрических нитей или лент измеряется ток, протекающий в цепи заземления элементов устройств, при трении о которые происходит электризация материалов (рис.10.8). В пределе плотность заряда на изолированной ленте может достигать величины σ max = 26,5 мкКл/м 2 , которые удается нанести на изолированную ленту. Если плотность заряда превышает это значение, то напряженность электрического поля оказывается достаточной для возникновения электрических разрядов, которые эти заряды нейтрализуют. Практически удается получить заряд с σ практ = 12 мкКл/м 2 10.3.2. Измерение параметров зарядов и напряженности поля 1) Использование зондов. V зонд экран заряженное изделие а Рис. 10.9. Измерение заряда с помощью зонда В качестве зонда обычно используется металлический диск небольшого размера, располагаемый параллельно поверхности заряженного изделия (рис. 10.9). Зонд окружен заземленным экраном, чтобы исключить искажение поля на краях зонда. Тогда можно четко определить часть поверхности изделия, заряд которой за счет электростатической индукции наводит заряд на зонде. Она равна площади поверхности зонда. Если U − потенциал зонда, измеренный вольтметром, то наведенный на зонде заряд будет равен U C q з нав = , где С з − емкость зонда. Соответственно, плотность заряда на изделии будет равна з нав S q = σ , где S з − площадь поверхности зонда. По измеренной плотности заряда можно определить напряженность поля у поверхности изделия. 0 ε σ = E С помощью зондов можно измерять напряженность электрического поля U=Ea, где а − расстояние от датчика до наэлектризованной поверхности, а также плотность заряда σ=ε 0 Е. 2) Использование «клетки Фарадея» (рис. 10.10). Для измерения заряда наэлектризованной жидкости или сыпучего материала, в особенности в тех случаях, когда трубопровод или резервуар нельзя изолировать от земли, определенный объем этой жидкости или сыпучего материала помещают в изолированную банку или сосуд и измеряют потенциал этого сосуда относительно заземленного экрана (рис. 10.10). Заряд пробы равен q = CU, где С − емкость между сосудом и заземляющим экраном. Плотность объемного заряда будет равна I Рис. 10.8. Электризация нитей и лент V С изм Рис. 10.10. Измерение заряда с помощью «клетки Фарадея» проб V q = ρ , где V проб − объем жидкости или сыпучего материала. 3) Использование флюксметров. Схема флюксметра приведена на рис.10.11. Прибор состоит из неподвижного измерительного электрода, на котором наводится индуцируемый внешним электрическим полем заряд, и вращающегося электрода. Вращающийся электрод периодически перекрывает измерительный электрод от действия внешнего поля. Когда измерительный электрод открыт, на нем наводится заряд, когда он закрыт, то заряд стекает. Амплитуда тока пропорциональна напряжению поля. Ток усиливается с помощью усилителя и подается на регистрирующий прибор. Градуировка флюксметров производится в однородном постоянном электрическом поле: Е = U/H, где Н − расстояние между флюксметром и электродом, создающим внешнее поле. Флюксметры используют для измерения напряженности поля в танкерах, в емкостях сыпучих материалов, вблизи поверхности пленки и т.д. Усили- тель Е форма электродов Рис. 10.11. Измерение напряженности электрического поля с помощью флюксметров 10.4. Способы защиты от разрядов статического электричества Способы защиты: − предотвращение накопления зарядов статического электричества путем увеличения проводимости материалов (присадки, влажность), − нейтрализация зарядов статического электричества с помощью специальных устройств. 1. Заземление. Заземление не является защитой от зарядов статического электричества, но оно необходимо для ограничения предельного заряда, который может накапливаться на изоляционных материалах и передаваться на проводящие конструкции установок. Для статического электричества заземленным считается объект, который имеет сопротивление R заземл. < 10 7 Ом при относительной влажности меньше 60%. Постоянная времени стекания заряда с объекта τ= RC должна быть достаточно малой и составлять: τ = 10 -1 с − для невзрывоопасных помещений, τ = 10 -3 с − для взрывоопасных помещений. 2. Увеличение проводимости диэлектрических материалов. 1) Использование поверхностно активных веществ − ПАВ. Диэлектрические вещества покрывают пленкой ПАВов, имеющих высокую проводимость. Недостатком является ухудшение действия ПАВов со временем. 2) Антистатические присадки, добавляемые в диэлектрические вещества и влияющие на их объемную проводимость. Добавляются в жидкие топлива, могут добавляться и в твердые материалы. Например, в полиэтилен добавляют сажу. Недостатком является влияние присадок на структуру веществ, ухудшая их качество. 3) Увлажнение воздуха. Наличие паров воды в воздухе более 70% приводит к быстрому стеканию зарядов статического электричества, благодаря появлению пленки влаги на поверхности. 3. Применение нейтрализаторов зарядов статического электричества. 1) Индукционные (пассивные) нейтрализаторы. Индукционные (пассивные) нейтрализаторы (рис. 10.12.) представляют собой заземленный электрод в виде одной или ряда игл, размещенный над заряженной поверхностью изделия. Электрическое поле создается между заряженным изделием и заземленным коронирующим электродом. Ионы коронного разряда под действием электрического поля движутся к заряженной поверхности изделия и разряжают ее. Е Рис. 10.12. Схема пассивного нейтрализатора Е ИВН Рис. 10.13. Схема активного нейтрализатора Недостатком является невозможность полного снятия заряда с изделия. Это связано с необходимостью некоторого «избыточного» заряда на изделии позволяющего получить напряженность превышающую напряженность, при которой возникает коронный разряд. 2) Высоковольтные (активные) нейтрализаторы. В нейтрализаторах данного типа на коронирующий высоковольтный электрод подают потенциал от источника высокого напряжения (рис. 10.13.). В этой связи нейтрализаторы получили название − активные. Наличие высоковольтного источника обеспечивает устойчивую генерацию ионов независимо от наличия зарядов на изделии. Коронный разряд может создаваться между игольчатым электродом и некоронирующим заземленным электродом, выполненным в виде кольца, в отверстии которого размещается коронирующий электрод. Если необходимо снимать заряды определенного знака, то применяют источники постоянного напряжения. Для снятия любых знаков заряда на изделии используют источники переменного напряжения. Поступление ионов к поверхности изделия обеспечивается за счет поля зарядов статического электричества. 3) Радиоактивные нейтрализаторы. Ионизация молекул воздуха с образованием ″+″ и ″−″ ионов происходит за счет энергии радиоактивного α или ρ излучения (рис. 10.14.). В зависимости от знака заряда на изделии под действием электрического поля, создаваемого этим зарядом, к поверхности изделия движутся ионы противоположного знака. Недостатком радиоактивных нейтрализаторов является малый ионизационный ток по сравнению с другими нейтрализаторами. 4) Комбинированные нейтрализаторы − представляют собой комбинацию радиоактивных и пассивных нейтрализаторов. 5) Аэродинамические нейтрализаторы. Ионы, образуемые в поле коронного разряда, создаваемого в камере, выносятся в область изделия потоком воздуха (рис. 10.15.). Данный тип нейтрализаторов находит применение в тех случаях, когда недопустимо воздействие на изделие световым излучением коронного разряда или потоком радиоактивного излучения, например, нейтрализация зарядов при производстве фотопленок и фотобумаг. Эффективность нейтрализаторов η может быть записана в следующем виде % 100 1 н ост ⋅ − = σ σ η , где σ н и σ ост − начальная и остаточная плотность зарядов статического электричества. Нейтрализатор, полностью устраняющий электризацию ( σ = 0), обладает эффективностью η = 100 %. Если происходит частичная нейтрализация заряда ( σ ост / σ нач >0) или перезарядка ( σ ост / σ нач <0), то η< 100 %. В динамическом режиме, когда происходит непрерывная генерация зарядов статического электричества на поверхности наэлектризованного материала σ н , то эквивалентная плотность тока на единицу длины, созданная зарядами статического электричества при их перемещении со скоростью V равна J нач = σ н V, Тогда эффективность работы нейтрализатора определяется по выражению η= J нейтр /J нач , где J нейтр − плотность тока нейтрализатора на единицу длины, определенная из вольт-амперной характеристики. Вольт-амперные характеристики нейтрализаторов различных типов приведены на рис. 10.16. Из характеристик следует, что наиболее эффективными являются нейтрализаторы постоянного тока, затем индукционный и переменного тока, и наконец, радиоактивные. 2. ФИЗИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА 2.1. Развитие разряда в однородном поле при постоянном напряжении Лавина электронов и условие самостоятельности разряда. Разряд в газе начинается с того, что свободные электроны, всегда в некотором количестве имеющиеся в газе, под действием приложенного напряжения приобретают энергию достаточную для ударной ионизации. Если при столкновении электрона с нейтральной молекулой происходит ионизация, то образуется еще один электрон, который так же может ионизовать, и процесс приобретает лавинный характер. Источник α или β излучения Е Рис. 10.14. Схема радиоактивного ей ра за ора " −" ВН воздух Рис. 10.15. Схема аэродинамического нейтрализатора радиоактивный переменного тока индукционный постоянного тока I U Рис. 10.16. Вольт-амперные характеристики нейтрализаторов статического электричества Действительно, пусть n − концентрация электронов. Тогда на пути dx в электрическом поле в результате ионизации образуется dn новых электронов dx n dn α = . (2.1) Общее число электронов в лавине на пути dx получается интегрированием (2.1): ∫ ∫ = n n x dx n dn 0 0 α или x e n n α 0 = , (2.2) где n 0 − начальная концентрация электронов. Выражение (2.2) справедливо в однородном электрическом поле. В неоднородном поле, в котором напряженность в промежутке меняется по пути движения лавины, ∫ = d dx n n 0 0 exp α . При ионизации образуются не только электроны, но и положительные ионы, обладающие малой по сравнению с электронами подвижностью, поэтому по мере движения лавины к аноду в ней происходит процесс разделения зарядов. Электроны уходят на анод, а положительные ионы, подходя к катоду, создают там новые электроны за счет вторичной ионизации. Эти вторичные электроны также могут создавать лавины. Если интенсивность вторичной ионизации слабая и для поддержания воспроизводства электронов требуется действие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным. В случае, если процессы ионизации развиваются и при прекращении действия внешнего ионизатора, то образуется самостоятельный разряд. Условие перехода разряда в самостоятельный процесс носит название условия самостоятельности разряда Таунсенда и может быть пояснено следующим образом. Пусть в результате процессов ударной ионизации в промежутке между электродами формируется лавина электронов, которые под действием поля движутся к аноду. Соответственно положительные ионы движутся к катоду и выбивают вторичные электроны. Для того, чтобы разряд поддерживался без действия внешнего ионизатора, нужно, чтобы процессы вторичной ионизации, сопровождающие прохождение лавин, обеспечивали возникновение новых лавин. Это означает, что каждая лавина начинающаяся с одного электрона должна обеспечить возникновение хотя бы одного вторичного электрона, дающего начало новой лавине. Если коэффициент γ дает число электронов выбиваемых из катода одним положительным ионом, то величина ( ) [ ] 1 exp − d α γ , где d − межэлектродное расстояние, обозначает число вторичных электронов образовавшихся в результате прохождения единичной первичной лавины. Так как первичная лавина началась с одного электрона, то для воспроизводства лавин число вторичных электронов должно быть не меньше единицы. Таким образом условие самостоятельности разряда имеет вид ( ) [ ] 1 1 exp ≥ − d α γ . (2.3) Так как обычно exp( αd)>>1, то (2.3) можно упростить: ( ) 1 exp ≥ d α γ или ≥ γ α 1 ln d Так как на катод приходят и выбивают вторичные электроны не только положительные ионы, но и возбужденные метастабильные молекулы и фотоны, то в (2.3) под γ понимаются все процессы образования вторичных электронов на катоде. В более общем случае вторичная ионизация должна учитывать и процессы в объеме газа, такие как, например, фотоионизация в объеме. Тогда уравнение (2.3) принимает более универсальную форму, применимую и в случае, когда процессы на катоде вообще не принимают участия в развитии разряда, как это имеет место в резко- неоднородных полях. Искровой разряд. Закон Пашена. При ( ) 1 exp ≥ d α γ ионизация, вызываемая последовательными лавинами, носит нарастающий характер, ток возрастает, что приводит к образованию искрового разряда, или искрового пробоя, при котором возникает тонкий проводящий канал, замыкающий промежуток. Напряжение, при котором для однородного поля выполняется условие (2.3), носит название пробивного напряжения. Так как и α/р, и γ зависят от напряженности поля Е/р, а напряженность определяется приложенным напряжением U и длиной разрядного промежутка d, то для однородного поля можно вывести уравнение зависимости пробивного напряжения от произведения рd вида U пр = f(pd), которое носит название закона Пашена. = γ 1 пр ln ln Apd Bpd U (2.4) где A и B − постоянные, характеризующие газ. Эксперименты для разных газов дают хорошее совпадение с такой зависимостью. В полном соответствии с этой формулой и экспериментальными данными получено простое уравнение для расчета пробивного напряжения в воздухе при давлении, близком атмосферному ( ) 2 1 4 , 6 5 , 24 пр pd pd U + = (2.5) где р − давление газа, атм; d − расстояние между электродами, см; U − в кВ. Зависимость для воздуха, соответствующая (2.4) и (2.5) приведена на рис. 2.1. 50000 10000 5000 1000 500 100 0,1 0,5 1 5 10 50 100 500 1000 U пр , В pd, мм рт.ст.см Рис. 2.1. Зависимость пробивного напряжения в воздухе в однородном поле от произведения pd (закон Пашена) При большой мощности источника напряжения, по каналу искры начинает протекать большой ток, что приводит к разогреву канала и возникновению в нем термической ионизации. Сопротивление канала резко падает, ток еще более возрастает, и возникает дуговой разряд, при котором ток может превышать сотни ампер. 2.2. Развитие разряда в резко-неоднородных полях Резко-неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа игла −плоскость, провод −плоскость, а также стержень−плоскость или шар−плоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами. Особенностью резко-неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникают лавины электронов, и условие самостоятельности разряда выполняется, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка. Соответствующее значение напряжения (U 0 ) носит название начального напряжения зажигания разряда. E U Рис. 2.2. Искажения внешнего поля объемным зарядом лавин при положительном напряжении на стержне в промежутке стержень −плоскость напряженность неискаженного поля - - - суммарная напряженность поля При высоких значениях приложенного напряжения разряд в промежутке около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля (в зависимости от полярности электрода) развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах, около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака, который создает собственное поле (рис.2.2), снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и резко усиливающий поле в промежутке перед зарядом. Если объемный заряд достигает некоторого критического значения, созданное им поле оказывается соизмеримым с внешним полем, при этом перед объемным зарядом напряженность может достигать сотни кВ/см, что обеспечивает там интенсивную ударную ионизацию и создание нового избыточного заряда. Процесс повторяется, и происходит возникновение новой стадии разряда − |