Начальное напряжение -минимальное напряжение, при котором выполняется условие самостоятельности разряда.
При положительной полярности острия,
имеющиеся в промежутке электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем. Взаимодействуя с внешним полем в промежутке, положительный объемный заряд ослабляет поле вблизи острия и усиливает его в остальной части промежутка (см. рис., а). Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина электронов справа от объемного заряда, электроны которой, смешиваясь сположительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стримера, заполненный плазмой. Зажигается стримерный коронный разряд. Положительные заряды этой лавины будут располагаться на головке стримера и создавать область повышенной напряженности во внешнем пространстве. Наличие области сильного поля обеспечиваетобразование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера, постепенно удлинняя его. Стример прорастает к катоду, вызывая пробой промежутка, при сравнительно малом значении разрядного напряжения.
Образование анодного (а) и катодного
(
б) стримера: E – напряженность внеш- него поля; E
ОБ
– напряженность поля объемного положительного заряда;
E
рез
– результирующая напряженность в промежутке после ионизации
При отрицательной полярности
острия электрическое поле непосред- ственно у острия приводит к эмиссии электронов с катода, которые сразу попадают в сильное поле и производят ударную ионизацию, образуя большое число лавин. Электроны лавин, перемещаясь в слабое поле у анода, теряют скорость, захваты- ваются нейтральными молекулами, становятся отрицательными ионами, рассеянными в пространстве.
Положительные ионы лавин образуют объемный заряд у острия, который, взаимодействуя с внешним полем, будет увеличивать напряженность непосредственно у острия и уменьшать – в остальной части промежутка (рис., б). Увеличение поля у острия приводит к усилению эмиссии электронов с поверхно- сти катода, которые, смешиваясь с положительным объемным зарядом, образуют у катода зародыш ка- тодного стримера.
В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрицательном острие происходит с большими трудностями, поэтому разрядное напряжение при отрицательной полярности острия в 2–2,5 раза больше, чем при положительной полярности (рис.):
Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электродами стержень-плоскость на импульсном напряжении: 1 — положительная полярность острия; 2
— отрицательная полярность острия; 3 — однородное поле
Барьерный эффект Существенное влияние объемного заряда на развитие разряда в промежутке с резконеравномерным по- лем используется на практике для увеличения разрядных напряжений изоляционных промежутков.
Это увеличение достигается помещением в промежуток барьеров из твердого диэлектрика (электрокар- тон, гетинакс и др.).
При положительном острие положительные ионы оседают на барьер и растекают- ся по его поверхности тем равномернее, чем дальше от острия расположен барьер. Это приводит к более равномерному распределению напряженности в промежутке между барьером и плоскостью (рис., а) и, следовательно, к значительному увеличению разрядного напряжения.
При отрицательной полярности стержня электроны, двигаясь от острия, попадают на барьер, теряют скорость и большинство из них вместе с атомами кислорода становятся отрицательными ионами. На барьере в этом случае появляется концентрированный отрицательный заряд, увеличивающий напря- женность поля не только между
положительным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внеш- нем пространстве (рис.,
б). Поэтому при отрицательной полярности острия увеличение разрядного напряжения в промежутке при наличии барьера будет незначительным. При расположении барьера в средней части промежутка разрядные напряжения при отрицательной и положительной полярностях близки.
Распределение напряженности поля в межэлектродном промежутке при наличии барьера:
а – положительная полярность стержня;
б – отрицательная полярность стержня; 1 – распределение напряженности поля без барьера; 2 – распределение напряженности поля с барьером
Таким образом, барьеры в промежутке устанавливают- ся на таком оптимальном расстоянии от острия, при котором разрядные напряжения максимальны (25–30% от длины промежутка между электродами), причем при положительной полярности острия разрядное напряже- ние может увеличиться в 2 раза по сравнению с проме- жутком такой же длины, но без барьера (рис. ):
Влияние барьера на пробивное напряжение газового промежутка при поло- жительной (1, 3) и отрицательной (2, 4) полярностях напряжения:прямые 1 и 2 – пробивное напряжение промежутка без барьера; кривые 3 и 4 – пробивное напряжение промежутка с барьером
Барьеры широко используются в высоковольтных конструкциях, работающих как в воздухе, так и в масле (высоковольтные вводы, трансформаторы и др.). На переменном напряжении электрическая прочность на положительной полярности увеличивается и приближается к электрической прочности на отрицательной полярности.
7.
Коронный разряд на ВЛЭП при постоянном и переменном напряжении. Способы ограничения потерь на корону.
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 про- вод – униполярная корона. При униполярной короне генерируемые короной заряды,
имеющие тот же знак, что и коронирующий провод, под действием электрического поля устремляются к земле, где про- исходит 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 интен- сивности коронирования. Это увеличивает потери на корону.
На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, рав- ного 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 ко- ронирования продолжается до тex пор, пока напряжение не достигнет
Umax при
t2
Несмотря на повышение напряжения до
Uмакс, напряженность на проводе остается постоянной и рав- ной
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 положитель- ным внешний объемный заряд, который еще удаляет- ся 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 достигает
U0
, 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 заря- женные 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 даль- нейшем все эти циклы повторяются и зажигание ко- роны на
обеих полярностях происходит приU0
Возникновение коронного разряда в мо- мент
t1 приводит к появлению тока короны
ik, кото- рый накладывается на емкостный ток линии и иска- жает 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 про- вода. Поэтому основным методом ограничения потерь на корону и радиопомех является увеличение ра-
диуса 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 про- водов. Они имеют диаметр, при котором обеспечивается необходимое снижение напряженности поля на их поверхности, а для сокращения площади поперечного сечения делаются полыми или со стеклопла- стиковой сердцевиной.
Большое применение получило расщепление проводов фаз.
8.
Электропроводность твердых диэлектриков.
Диэлектрики – такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной элек- тропроводности 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 свобод- ных 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 растворяют- ся загрязнения, попавшие на поверхность диэлектрика. Молекулы загрязняющих веществ при растворе- нии диссоциируют, образуя ионы. Поэтому слой адсорбированной влаги имеет, как правило, достаточно высокую электрическую проводимость.
Характеристикой этого процесса является удельная поверхностная проводимость γ
s
(1/Ом). Величина γ
s
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). Боль- шинство 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 γ
s
глазури на фарфоре при повышении влажности воздуха от 0 до 80% увеличивается от 10
-13
до 10
-9
Ом
-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 электриче- ских 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 диэлек- трика, однако в большинстве случаев ионы является примесями.
Свободные электроны в твердом диэлектрике могут образовываться в результате эмиссии с поверхно- сти катода, вследствие эмиссии дырок (вакантных мест) с поверхности анода и туннельного перехода электронов из нормальной (валентной) зоны в зону проводимости.
9.
Поляризация твердых диэлектриков, диэлектрические потери.
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрическо- го 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 диэлек- трика. Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сход- ными свойствами.
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольно- го 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 ди- электрике направлены хаотически по всем направлениям, при этом суммарный момент диэлектрика ра- вен нулю.
Миграционная поляризация имеет место в неоднородных диэлектриках и обусловлена движением в электрическом поле свободных зарядов (обычно ионов). Она представляет практический интерес в свя- зи 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, распо- ложенного между плоскими электродами. Для такого диэлектрика возможны две схемы замещения. Для миграционной поляризации характерно накопление на границе слоев неоднородного диэлектрика заря- да абсорбции.
Диэлектрические потери:
Все потери в диэлектрике, рассеиваемые при приложении к нему пере-менного напряжения, называют- ся
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.
Схема замещения диэлектрика.
∞
С
- геометрическая ем- кость (емкость вакуума и мгновенной поляризации);
1
R
– сопротивление сквозной проводимости; абс
C
и
2
R
– цепочка абсорбирующей составляющей и потерь диэлек- трика;
R
C
C
,
,
′′
′
– цепочка, в которой возможны потери из- за ионизации при наличии искрового промежутка S.
ϕ
δ
∞
I
I
к
I
абс
I
пр
C
I
абс
U
I
абс R
Векторная диаграмма токов, проходящих че- рез диэлектрик при приложении переменного напряжения.
∞
I
- ток, обусловленный мгновенной по-
U
C
/
C
//
S
∞
C
R
1
R
2
С
абс
R
ляризацией; абс
I – ток абсорбционной составляющей (замедленной поляризации); пр
I – ток сквозной проводимости.
δ
tqU12Uч.р.
Характерные зависимости
( )
Uf=
δ
tg
. 1 – в
изоляции частичные разряды отсутствуют; 2 – в изоляции возникают частичные разряды при напряжении ч.р.
UU≥
Важное практическое значение
tgδ имеет и потому, что величина чувствительна к изменениям состоя- ния или качества изоляции. Ухудшение качества изоляции обычно сопровождается значительным ро- стом удельной проводимости
γ, и, следовательно, величины
tgδ. Поэтому по значению
tgδ можно судить о состоянии изоляции, о наличии в ней загрязнений и в частности влаги.
Величина tgδ зависит от природы материала частоты источники, температуры и не зависит от схемы замещения.
Т.о. диэлектрические потери зависят от U, w, Cp и tgδ материала. Емкость зависит от ε, а ε зависит от материала и внешних условий (влажности и т.д.).
Т.о. диэлектрические потери могут принимать опасные значения для диэлектриков, которые использу- ются в участках высокого напряжения и частоты.
10.
Разряд вдоль поверхности твердых диэлектриков в однородном поле.
Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль по- верхности 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 окружающе- го воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и элек- тродом. Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образую- щиеся 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 элек- тродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлек- трическая проницаемость твердого диэлектрика в 3–4раза больше, чем воздуха). Увеличение напряжен- ности поля к микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты кото- рых (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, защища- ющие диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, ис- пользуя цементные заделки и эластичные проводящие прокладки.
11.
Разряд вдоль поверхности твердых
диэлектриков в резконеоднородном поле, разряд по увлаж- ненной 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.
Скачать 1.48 Mb.