Ответы на ТВН. Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
Вопросы к экзамену по дисциплине «Электроэнергетика». ч. 4. ( Изоляция и перенапряжение, ТВН) 1. Особенности внешней и внутренней изоляции. Изоляция электрических установок может быть разделена на внешнюю и внутреннюю изоляцию. К внешней изоляции относятся воздушные промежутки (например, между проводами разных фаз ли- нии электропередачи, между проводами и опорой), внешние поверхности твердой изоляции (изолято- ров), промежутки между контактами разъединителя и т.п. Внутренняя изоляция состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообразных диэлектриков. К внутренней изоляции относится изоля- ция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии и т.д. Особенности внешней изоляции: - зависимость электрической прочности от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки суще- ственно влияют загрязнения их поверхности и атмосферные осадки; - после пробоя внешняя изоляция полностью самовосстанавливается, если снимается напря- жение или гаснет дуга в месте пробоя; - отсутствие старения изоляции. Особенности внутренней изоляции: - электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не под- вержена влиянию атмосферных условий; - пробой твердой и комбинированной изоляции - явление необратимое, приводящее к выводу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливает- ся, однако пробои приводят к ухудшению их характеристик; - подвержена старению, т.е. ухудшению электрических характеристик в процессе эксплуата- ции (частичные разряды, диэлектрические потери). 2. Виды ионизации газов, лавина электронов, стримерная теория разряда. Энергия, необходимая для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации. Ионизация, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Рекомбинация ионов и электронов, образование нейтральных атомов или молекул из свободных электронов и положительных атомных или молекулярных ионов; процесс, обратный ионизации. Объемная ионизация – образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Объемная ионизация подразделяется: 1)на ударную ионизацию; Ударная ионизация – соударение электрона с нейтральным атомом или молекулой. 2)ступенчатую ионизацию; Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона недостаточна для ионизации. 3)фотоионизацию; Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, излуча- емая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглоще- нии фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация. 4)термоионизацию. Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих актов: 1)освобождения электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах; 2)фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодей- ствия при высоких температурах; 3)ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких темпера- турах. Поверхностная ионизация – излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов. Поверхностная ионизация (эмиссия электронов) осуществляется за счет: 1) бомбардировки поверхности катода положительными иона- ми — вторичная электронная эмиссия (ионизация иона). 2) фотоэмиссии, т. е. лучистой энергии, облучающей катод, например, ультрафиолетового света, рентгеновского излучения, излучения возбужденных атомов и молекул в объеме газа между электрода- ми (ионизация квантом света). 3) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия (темоионизация) 4) энергии внешнего электрического поля – автоэлектронная или холодная эмиссия (автоэлек- тронная ионизация). Лавина электронов – процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду. Рисунок 1 – Искажение электрического поля в промежутке, создаваемое лавиной: 1 — средняя напряженность без лавины; 2 —результирующая напряженность Рисунок 2 – Схема определения числа электронов в лавине Рисунок 3 – Механизм развития катодного стримера:1 – электрод (катод); 2 – канал стримера; 3 – лавины; 4 – движение фотонов; 5 – электроны за счет фотоионизации. Интенсивность размножения электронов в лавине характеризуется коэффициентом ударной иониза- ции α, равным числу ионизаций, производимых электроном на пути в 1 см по направлению действия электрического поля (первый коэффициент Таунсенда). На расстоянии x от катода число электронов возросло до n. Увеличение числа электронов dn на пути dx будет равно: dx n dn ⋅ ⋅ = α , либо dx n dn ⋅ = α , затем интегрируем ∫ ∫ ⋅ = dx n dn α . В результате получим x n ⋅ = α , тогда x e n ⋅ = α Это выражение дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам Тогда число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно: ( ) x e n ⋅ − = η α Стримерная теория разряда В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов, при этом Е на фронте лавины возрастает, а в задней части уменьшается. В какой-то момент напряженность в задней части лавины уменьшается настолько, что становится невозможной ударная ионизация. Нахо- дящиеся в хвосте лавины отставшие электроны вместе с положительными ионами создают плазменное образование, дающее начало возникновению стримерного канала. Стример - канал, заполненный плазмой. В зависимости от условий стример может быть связан с электродом или нет. Однако характер- ной особенностью в любом случае является наличие избыточного заряда на конце, создающее местное усиление электрического поля и обеспечивающего непрерывное удлинение плазменного канала. 3. Условие самостоятельности разряда в однородном поле. После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновляться, а может и затухнуть. Для возобновления лавинного процесса нужен хотя бы один вторичный эффективный элек- трон. Если этот электрон получается в результате внешнего ионизатора, разряд называется несамосто- ятельным, т. е. если убрать внешний ионизатор, то лавинный процесс не возобновится и разряд затух- нет. Если же вторичный эффективный электрон возникает в результате прохождения первичной лави- ны, разряд называется самостоятельным. Разряд из несамостоятельного может перейти в самостоя- тельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение. Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы в результате развития первоначаль- ной лавины появился по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. На расстоянии x от катода число электронов возросло до n. Увеличение числа электронов dn на пути dx будет равно: dx n dn ⋅ ⋅ = α , либо dx n dn ⋅ = α , затем интегрируем ∫ ∫ ⋅ = dx n dn α . В результате получим x n ⋅ = α , тогда x e n ⋅ = α Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно коли- честву электронов в лавине ( ) x e n ⋅ − = η α , исключая начальный электрон, т. е. ( ) 1 − = ⋅ − + S e n η α Электроны, выбитые из катода, не все участвуют в образовании вторичных лавин. Часть электронов ре- комбинирует с положительными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной ионизации γ (второй коэффициент Таунсенда). Ко- эффициентγ зависит от материала катода, состава и давления газа, и всегда γ << 1. Количество вторич- ных электронов, образованных после прохождения первичной лавины, при самостоятельной форме раз- ряда будет ( ) ( ) 1 1 ≥ − ⋅ ⋅ − S e η α γ Это уравнение есть условие самостоятельности развития разряда в газовом промежутке. Оно показыва- ет, что в результате прохождения первичной лавины необходимо образование, как минимум, одно- го эффективного электрона, способного зажечь вторичную лавину. ЛИБО: Несамостоятельный разряд – разрядный процесс, для поддержания которого необходим внешний иони- затор. Самостоятельный разряд – разряд способный существовать в отсутствие внешнего ионизатора. Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы в результате развития первоначаль- ной лавины появился по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Та- ким образом, условие самостоятельности разряда можно записать в общем виде как 1 0 ) ( ≥ ∫ L dx e α γ , где γ – коэффициент вторичной ионизации; ∫ L dx e 0 ) ( α - количество электронов в лавине; L – расстояние между электродами В случае однородного поля условие самостоятельности разряда можно записать как: 1 ≥ L e α γ Начальное напряжение – напряжение, при котором в промежутке выполняется условие самостоятель- ности разряда. Хотя коэффициент вторичной ионизации γ=f(p,E), однако диапазон его изменения невелик и, с доста- точной степенью точности, можно считать, что const = γ 1 ln . Поэтому часто используются другие вы- ражения для условия самостоятельности разряда. Для неоднородного поля: K const dx L = ≈ = ∫ γ α 1 ln 0 Для однородного поля: K const L = ≈ α Из двух последних выражений следует, что для выполнения условия самостоятельности разряда необ- ходимо, чтобы число ионизаций, осуществляемых одним электроном на пути между электродами, было не меньше некоторой определенной величины. Если L e α γ будет превышать единицу, то число развивающихся в промежутке лавин будет непрерывно возрастать. Последующие лавины будут возникать еще до того, как все положительные ионы, образо- ванные предшествующими лавинами, уйдут на катод. Следовательно, электроны новых лавин будут двигаться в промежутке, заполненном положительными ионами, и вдоль пути лавин газ в промежутке между электродами перейдет в состояние плазмы – произойдет пробой промежутка. 4. Пробивное напряжение газа в однородном поле. Закон Пашена. Начальное напряжение – напряжение, при котором в промежутке выполняется условие самостоятель- ности разряда. Пробивное (разрядное) напряжение – напряжение при котором происходит полная потеря электриче- ской прочности промежутка. Закон Пашена – при неизменной температуре пробивное напряжение газа в промежутке с однородным полем является функцией произведения давления на расстояние между электродами. Другими словами: если во столько-то раз увеличить расстояние между электродами и во столько же раз уменьшить давление, то разрядное напряжение не изменится. Это правило подобия межэлектродных промежутков. На рис. представлена зависимость для воздуха: При неизменной температуре разрядное напряжение в однородном поле является функцией произведения давления P на расстояние между электродами S, т. е. U ПР = f(P S). Вид этой зависимости можно объяснить, исходя из физических представлений. При S = const увеличение давления, больше значения, соответствующего минимуму, приводит к увеличению числа столкновений электронов с нейтральными атомами и молекулами и, как следствие, к уменьшению его энергии, накапливаемой на длине свободного пробега. Следовательно, для возникновения ударной ионизации необходимо увеличение напряженияU ПР . С другой стороны, при давлениях, меньших минимума пробивного напряженияU ПР , увеличивается длина свободного пробега и накапливаемая электроном энергия, но уменьшается количество столкновений, что уменьшает вероятность ударной ионизации. Для ее увеличения необходимо, чтобы как можно большее число столкновений заканчивалось ионизацией. Для этого необходимо увеличивать энергию электрона на длине свободного пробега, т. е. увеличиватьU ПР Закон Пашена в виде формулы (1.26) справедлив при нормальной температуре. Изменение температуры действует обратно изменению давления и должно учитываться при расчетах. В общем виде, с учетом изменения температуры, закон Пашена запишется так: ⋅ = T S P f U ПР На основании закона Пашена могут быть предложены способы повышения пробивного напряжения га- зов: 1)увеличение давления больше атмосферного; 2)уменьшение давления до значений, меньших, чем давление, соответствующее минимуму, вплоть до вакуума. 5. Развитие разряда в неоднородном поле. В неоднородном поле, в отличие от однородного, напряженность поля в различных точках промежутка разная по величине или по направлению. К типичным промежуткам с неоднородным полем относят- ся: стержень–стержень, стержень–плоскость, провод–земляи многие другие реальные изоляционные промежутки. Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряжен- ности поля в промежутке к средней, называемым коэффициентом неоднородности поля: ср Н Е Е К max = Зависимость напряженности электрического поля от расстояния между электродами типа стержень–плоскость:1 – E СР =f (S) =U/S; 2 –Emax =f (S); 3 –E* H – напряженность возникновения самостоятельной формы разряда. Основные закономерности развития разряда в любых резконеод- нородных полях ( K H > 4 ) практически одинаковы. При некото- ром начальном напряжении U Н в промежутке возникает самосто- ятельный разряд в лавинной форме, т. к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение E* Н , соот- ветствующее возникновению самостоятельной формы разряда (рис.). Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фо- тоионизации из объема газа (при положительной полярности стержня), либо за счет фотоэмиссии или автоэлектронной (холодной) эмиссии с катода (при отрицательной полярности стержня). Такой разряд называется коронным разрядом в лавинной форме. Значение напряжения и напряженности поля на элек- троде при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля. С увеличением степени неоднородности напряженность на электроде-стержне увеличивается, а напряжение возник- новения короны уменьшается. Такое состояние разряда – устойчивое, т. к. при этом выполняется условие самостоятельности разряда. Этот случай, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме. Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образу- ется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противопо- ложному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в элек- трическую дугу, что означает завершение пробоя. В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме. Коронный разряд – самостоятельный разряд, возникающий в резконеоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. Выполнение условия самостоятельности разряда в промежутках с резконеоднородным полем означает возникновение коронного разряда, который может иметь две формы существования: лавинную и стри- мерную. Лавинная - такая форма коронного разряда, при которой в промежутке развиваются только электрон- ные лавины. Особенности: - напряженность создаваемая лавиной электронов меньше напряженности внешнего электрического по- ля; - характерна для малых радиусов кривизны электродов (1-2 мм); - зона ионизации имеет более или менее однородную структуру. Стримерная - такая форма коронного разряда, при которой в промежутке кроме электронных лавин развиваются стримерные каналы. Особенности: - возникает если напряженность, создаваемая лавиной электронов, сопоставима с напряженностью поля до появления лавины; - характерна для радиусов кривизны электродов порядка 1см и более; - на коронирующий электрод оказываются как бы насажанными тоненькие проводники – каналы стри- меров, на концах которых напряженность электрического поля может достигать очень больших значе- ний. 6. Влияние полярности электродов на пробивное напряжение, влияние барьера на пробивное напряжение. Эффект полярности: Пробивное напряжение - это напряжение, при котором происходит потеря электрической прочности промежутка. |