|
|
ТВН шпаргалки. ТВН_шпаргалки_экзамен(2022). Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
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.
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 коронирования. Это увеличивает потери на корону.
На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короны Uн при времени t1 (см. рис. ,а). Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (см. рис. 1.,в). Из чехла короны положительные заряды (как на рис.,в) выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (ОЗ). Процесс коронирования продолжается до тex пор, пока напряжение не достигнет Umax при t2.
Н есмотря на повышение напряжения до Uмакс, напряженность на проводе остается постоянной и равной ЕН 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 t2) в пространстве вокруг провода остается положительным внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (см. рис., в).
Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет
40–100см. Разность потенциалов между проводом и ОЗ увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени t3. При t4 (см. рис.,а,в), когда напряжение достигаетU0, которое значительно меньше Uн, 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 t4 до t5 (см. рис.,а,в). В момент времени t5 (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются и зажигание короны на обеих полярностях происходит приU0.
Возникновение коронного разряда в момент t1 приводит к появлению тока короны ik, который накладывается на емкостный ток линии и искажает синусоиду тока (рис.,б). Длительность пиков тока короны равна длительности ее горения, т. е. от t1 до t2 (или t4–t5,t6–t7).
Ограничение потерь на корону:
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 Uном 330 кВ необходимы провода диаметра во многих случаях превышающего диаметр, выбранный из условия передачи по линии заданной мощности.
Экономическое решение можно получить посредством применения так называемых расширенных проводов. 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.
Большое применение получило расщепление проводов фаз.
Электропроводность твердых диэлектриков.
Диэлектрики – такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.
Полупроводники - вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.
Проводники - материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею.
Для твердых диэлектриков принято различать поверхностную и объемную электропроводности.
Поверхностная электропроводность имеет место тогда, когда на поверхности твердого диэлектрика образуется тонкий (невидимый глазом) слой адсорбированной влаги. В этом слое частично растворяются загрязнения, попавшие на поверхность диэлектрика. Молекулы загрязняющих веществ при растворении диссоциируют, образуя ионы. Поэтому слой адсорбированной влаги имеет, как правило, достаточно высокую электрическую проводимость.
Характеристикой этого процесса является удельная поверхностная проводимость γs (1/Ом). Величина γs зависит от способности диэлектрика адсорбировать на своей поверхности влагу и смачиваться водой, а также от влажности воздуха. Исходя из этого твердые диэлектрики разделяются на гидрофильные и гидрофобные.
Гидрофильные – хорошо адсорбируют влагу и смачиваются водой (угол смачивания менее π/2). Большинство твердых диэлектриков являются гидрофильными материалами (в том числе стекло и фарфор). У них удельная поверхностная проводимость резко увеличивается с ростом относительной влажности воздуха. Например, поверхностная проводимость γs глазури на фарфоре при повышении влажности воздуха от 0 до 80% увеличивается от 10-13до 10-9Ом-1.
Объемная электропроводность. Это способность твердого диэлектрика проводить в электрическом поле ток. Она может быть обусловлена движением ионов одного или обоих знаков, а в сильных электрических полях – и движением свободных электронов.
Ионная проводимость твердых диэлектриков наблюдается в слабых и сильных электрических полях. Создающие эту проводимость ионы могут принадлежать основному веществу или компоненте диэлектрика, однако в большинстве случаев ионы является примесями.
Свободные электроны в твердом диэлектрике могут образовываться в результате эмиссии с поверхности катода, вследствие эмиссии дырок (вакантных мест) с поверхности анода и туннельного перехода электронов из нормальной (валентной) зоны в зону проводимости.
Поляризация твердых диэлектриков, диэлектрические потери.
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами.
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Поляризация:
1)Деформационная (электронная),
2)Дипольная,
3) Миграционная (внутрисловевая)
Электронная поляризация представляет смещение под воздействием внешнего электрического поля орбит электронов относительно положительно заряженного атома ядра.
Ионная поляризация - смещение относительно друг друга ионов, образующих молекулы диэлектрика.
Дипольная поляризация – существует в диэлектриках с жесткими диполями в неполяризованном диэлектрике направлены хаотически по всем направлениям, при этом суммарный момент диэлектрика равен нулю.
Миграционная поляризация имеет место в неоднородных диэлектриках и обусловлена движением в электрическом поле свободных зарядов (обычно ионов). Она представляет практический интерес в связи с тем, что наблюдается в изоляции конструкций ВН, в которой обычно используются неоднородные диэлектрические материалы или комбинации диэлектриков.
Сущность миграционной поляризации поясним на простом примере двухслойного диэлектрика, расположенного между плоскими электродами. Для такого диэлектрика возможны две схемы замещения. Для миграционной поляризации характерно накопление на границе слоев неоднородного диэлектрика заряда абсорбции.
Диэлектрические потери:
Все потери в диэлектрике, рассеиваемые при приложении к нему пере-менного напряжения, называются диэлектрическими потерями. Обычно потери от проходящих через диэлектрик токов сквозной проводимости по сравнению с потерями на поляризацию малы и имеют значение лишь при весьма большом увлажнении или больших положительных температурах.
С хема замещения диэлектрика. - геометрическая емкость (емкость вакуума и мгновенной поляризации); – сопротивление сквозной проводимости;  и  – цепочка абсорбирующей составляющей и потерь диэлектрика;  – цепочка, в которой возможны потери из-за ионизации при наличии искрового промежутка S.
 Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик при приложении переменного напряжения. - ток, обусловленный мгновенной поляризацией;  – ток абсорбционной составляющей (замедленной поляризации);  – ток сквозной проводимости.
Характерные зависимости  . 1 – в изоляции частичные разряды отсутствуют; 2 – в изоляции возникают частичные разряды при напряжении 
Важное практическое значение tgδ имеет и потому, что величина чувствительна к изменениям состояния или качества изоляции. Ухудшение качества изоляции обычно сопровождается значительным ростом удельной проводимости γ, и, следовательно, величины tgδ. Поэтому по значению tgδможно судить о состоянии изоляции, о наличии в ней загрязнений и в частности влаги.
Величина tg зависит от природы материала частоты источники, температуры и не зависит от схемы замещения.
Т.о. диэлектрические потери зависят от U, w, Cp и tg материала. Емкость зависит от , а зависит от материала и внешних условий (влажности и т.д.).
Т.о. диэлектрические потери могут принимать опасные значения для диэлектриков, которые используются в участках высокого напряжения и частоты.
Разряд вдоль поверхности твердых диэлектриков в однородном поле.
Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции (на рис. 3.8, а) силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле однородно.
В изоляционной конструкции (см. рис. 3.8, а) электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем прочность чисто воздушного промежутка. Это связано с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом. Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка – ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик.
Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3–4раза больше, чем воздуха). Увеличение напряженности поля к микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.
Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов, защищающие диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные проводящие прокладки.
Разряд вдоль поверхности твердых диэлектриков в резконеоднородном поле, разряд по увлажненной и загрязненной поверхности твердых диэлектриков.
В конструкции (на рис. 3.8, б) поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика Еτ преобладает над нормальной составляющей En. В конструкции (на рис. 3.8 ,в) поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая.
В изоляционной конструкции (см. рис. 3.8, б) поле неоднородное, следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис. 3.8,а, но оно слабее выражено, т. к. электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.
Всe сказанное справедливо и для конструкции на рис. 3.8, в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкция на рис. 3.8,б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную составляющую, называют каналом скользящего разряда.
Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости канала стримера, поэтому падение напряжения в канале скользящего разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка – больше, чем в каналах стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.
Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь, ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда:
 , где χ1 – коэффициент, определяемый опытным путем;
С – удельная поверхностная емкость (емкость поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд относительно противоположного электрода;
U – приложенное напряжение.
Выражение для нахождения разрядного напряжения:
 , которое называется формула Теплера.
где  . d – толщина диэлектрика, а площадь S принята d равной 1 см2, и считать значение dU/dt постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряжения.
Из формулы Теплера следует, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого можно ожидать развития разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений.
Разряд по увлажненной и загрязненной поверхности твердых диэлектриков.
К атмосферным воздействиям, приводящим к значительному снижению напряжений перекрытия (разрядных напряжений) изоляторов, относятся дождь и увлажненные загрязнения их поверхности.
Рассмотрим развитие разряда в случае, когда поверхность изолятора загрязнена и увлажнена.
Под действием приложенного к изолятору напряжения по увлажненному слою загрязнения проходит ток утечки, нагревающий его. Так как загрязнение распределено по поверхности изолятора неравномерно и плотность тока утечки неодинакова на отдельных участках изолятора из-за сложной конфигурации его поверхности, то нагревание слоя загрязнения происходит также неравномерно. На тех участках изолятора, где плотность тока наибольшая, происходит интенсивное испарение воды и образуются подсушенные участки с повышенным сопротивлением. Распределение напряжения по поверхности изолятора меняется. Почти все напряжение, воздействующее на изоляцию, оказывается приложенным к подсушенным участкам. В результате этого подсушенные участки перекрываются искровыми каналами, называемыми частичными перемежающими дугами. Сопротивление искрового канала меньше сопротивления подсушенного участка поверхности изолятора, поэтому ток утечки возрастает. Возрастание тока утечки приводит к дальнейшему подсушиванию слоя загрязнения, а следовательно и к увеличению его сопротивления.
Интенсивное подсушивание поверхности изолятора у концов дуг приводит к их удлинению. Подсушивание всей поверхности ведет к снижению тока утечки, а увеличение длины частичных дуг – к его росту. Если результатом этого будет уменьшение тока утечки, то дуги погаснут, если же ток утечки будет расти, то частичные дуги будут удлиняться и перекроют весь изолятор. Так как параметры частичной дуги и количество дуг, одновременно существующих на поверхности изолятора, случайны, то и перекрытие также является случайным событием, характеризуемым определенной вероятностью. Вероятность перекрытия изолятора повышается с увеличением воздействующего напряжения, т. к. при этом возрастает ток утечки, что благоприятствует удлинению частичных дуг до полного перекрытия изолятора.
Из приведенной картины развития разряда следует, что разрядные напряжения изоляторов будут тем выше, чем меньше ток утечки:  .
где IУ – ток утечки по изолятору; RУ – сопротивление утечки по поверхности изолятора.
Если слой загрязнения имеет толщину Δ с удельным объемным сопротивлением ρ, то для цилиндрического гладкого изолятора диаметром D имеем:
  .
 - площадь кольца,  - толщина.
Следовательно, разрядное напряжение изолятора будет возрастать с увеличением длины пути утечки и уменьшением диаметра изолятора:
 .
Так как процессы подсушки поверхности изолятора происходят относительно медленно, то при кратковременных перенапряжениях они не успевают развиться и напряжение перекрытия бывает выше, чем при длительном воздействии напряжения.
Распределение напряжения по гирлянде изоляторов, выбор числа изоляторов в гирлянде.
Переменное и импульсное напряжение распределяются по изоляторам гирлянды неравномерно, и чем больше изоляторов в них, тем неравномерное распределение напряжения.
  Рис. 1.1. Гирлянда изоляторов (а) и схема замещения гирлянды (б)
 – собственные емкости изоляторов;  – емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры, заземленных тросов и т.д.);
 – емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (проводов, арматуры);  - сопротивления утечки по поверхности изоляторов.
Общая ёмкость изоляторов гирлянды Сг=К/n, где n – число изоляторов в гирлянде.
Если: Сг>>С1 и С2, то распределение напряжения равномерно.
Если: СгС1 и СгС2, то распределение напряжения неравномерно.
Если: С2=0, а С10, то наибольшее падение напряжения на первом проводе от изолятора.
Если: С20, а С1=0, то наибольшее падение напряжение на первом изоляторе от траверсы.
В реальных условиях С1>С2 поэтому U1max на первом от провода изоляторе и уменьшается с удалением от него, но при приближении к траверсе опять несколько возрастает.
При удалении от первого изолятора падение напряжения снижается, а при приближении к траверсе падение напряжения увеличивается.
При увлажненном загрязнении поверхностей изоляторов, а также под дождём распределение напряжения вдоль гирлянды выравнивается, поскольку в этих случаях оно определяется главным образом сопротивлениями утечки изоляторов.
Выбор числа изоляторов:
Lу – Длина пути утечки изолятора – наименьшее расстояние по поверхности изолирующей части между двумя электродами.
Разряд на отдельных участках изолятора может отрываться от поверхности и развиваться в воздухе. В результате этого влагоразрядные напряжения оказываются пропорциональны на Lу, а эффективной длине утечки:  .
К – коэффициент эффективности изолятора.
В качестве характеристики надёжности изоляторов при рабочем напряжении принята удельная эффективная длина пути утечки:  .
 – нормируется в зависимости от степени загрязненности атмосферы и номинального напряжения установки.
Для надёжной эксплуатации при рабочем напряжении геометрическая длина пути утечки изоляторов должна определяться как:  .
Число изоляторов гирлянде должно быть:  .
 – геометрическая длина пути утечки одного изолятора
 – наибольшее рабочее междуфазное напряжение, т.е. линейное.
Регулирование электрических полей во внутренней изоляции.
|
|
|
Скачать 5.79 Mb.