ТВН шпаргалки. ТВН_шпаргалки_экзамен(2022). Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика

• Название: Вопросы к экзамену по дисциплине Электроэнергетика
• Анкор: ТВН шпаргалки
• Дата: 15.05.2023
• Размер: 5.79 Mb.
• Имя файла: ТВН_шпаргалки_экзамен(2022).doc
• Тип: Вопросы к экзамену; #1130454
• страница: 1 из 7

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 линии электропередачи, между проводами и опорой), внешние поверхности твердой изоляции (изоляторов), промежутки между контактами разъединителя и т.п. Внутренняя изоляция состоит из комбинации различных жидких, твердых и газообразных диэлектриков. К внутренней изоляции относится изоляция 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 существенно влияют загрязнения их поверхности и атмосферные осадки;
  
• 
  после пробоя внешняя изоляция полностью самовосстанавливается, если снимается напряжение или гаснет дуга в месте пробоя;
  
• 
  отсутствие старения изоляции.
  

Особенности внутренней изоляции:

• 
  электрическая прочность внутренней изоляции электрооборудования практически не подвержена влиянию атмосферных условий;
  
• 
  пробой твердой и комбинированной изоляции - явление необратимое, приводящее к выводу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, однако пробои приводят к ухудшению их характеристик;
  
• 
  подвержена старению, т.е. ухудшению электрических характеристик в процессе эксплуатации (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, излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении 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 взаимодействия при высоких температурах;

3)ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

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 электродами (ионизация квантом света).

3) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия (темоионизация)

4) энергии внешнего электрического поля – автоэлектронная или холодная эмиссия (автоэлектронная 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 ионизации 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:

, либо , затем интегрируем . В результате получим , тогда . 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: .

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. Находящиеся 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 характерной 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 электрон. Если этот электрон получается в результате внешнего ионизатора, разряд называется несамостоятельным, т. е. если убрать внешний ионизатор, то лавинный процесс не возобновится и разряд затухнет. Если же вторичный эффективный электрон возникает в результате прохождения первичной лавины, разряд называется самостоятельным. Разряд из несамостоятельного может перейти в самостоятельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение.

Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы в результате развития первоначальной 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: , либо , затем интегрируем . В результате получим , тогда .

Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине , исключая начальный электрон, т. е. .

Электроны, выбитые из катода, не все участвуют в образовании вторичных лавин. Часть электронов рекомбинирует с положительными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной ионизации γ (второй коэффициент Таунсенда). Коэффициентγ зависит от материала катода, состава и давления газа, и всегда γ << 1. Количество вторичных электронов, образованных после прохождения первичной лавины, при самостоятельной форме разряда будет

.

Это уравнение есть условие самостоятельности развития разряда в газовом промежутке. Оно показывает, что в результате прохождения первичной лавины необходимо образование, как минимум, одного эффективного электрона, способного зажечь вторичную лавину.

ЛИБО:

Несамостоятельный разряд – разрядный процесс, для поддержания которого необходим внешний ионизатор.

Самостоятельный разряд – разряд способный существовать в отсутствие внешнего ионизатора.

Для возникновения самостоятельного разряда необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появился по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Таким образом, условие самостоятельности разряда можно записать в общем виде как

, где γ – коэффициент вторичной ионизации; - количество электронов в лавине; L – расстояние между электродами

В случае однородного поля условие самостоятельности разряда можно записать как: .

Начальное напряжение – напряжение, при котором в промежутке выполняется условие самостоятельности разряда.

Хотя коэффициент вторичной ионизации γ=f(p,E), однако диапазон его изменения невелик и, с достаточной степенью точности, можно считать, что . Поэтому часто используются другие выражения для условия самостоятельности разряда.

Для неоднородного поля:

Для однородного поля:

Из двух последних выражений следует, что для выполнения условия самостоятельности разряда необходимо, чтобы число ионизаций, осуществляемых одним электроном на пути между электродами, было не меньше некоторой определенной величины.

Если будет превышать единицу, то число развивающихся в промежутке лавин будет непрерывно возрастать. Последующие лавины будут возникать еще до того, как все положительные ионы, образованные 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 самостоятельности разряда.

Пробивное (разрядное) напряжение – напряжение при котором происходит полная потеря электрической 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.

Н а 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: .

На основании закона Пашена могут быть предложены способы повышения пробивного напряжения газов:

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 относятся: стержень–стержень, стержень–плоскость, провод–земляи многие другие реальные изоляционные промежутки.

Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряженности поля в промежутке к средней, называемым коэффициентом неоднородности поля: .

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 резконеоднородных полях ( K_H > 4 ) практически одинаковы. При некотором начальном напряжении U_Н в промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т. к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение E*_Н, соответствующее возникновению самостоятельной формы разряда (рис.). Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фотоионизации 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 электроде при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля. С увеличением степени неоднородности напряженность на электроде-стержне увеличивается, а напряжение возникновения 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 образуется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в электрическую 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 стримерную.

Лавинная - такая форма коронного разряда, при которой в промежутке развиваются только электронные лавины. Особенности:

- напряженность создаваемая лавиной электронов меньше напряженности внешнего электрического поля;

- 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 стримеров, на концах которых напряженность электрического поля может достигать очень больших значений.

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.

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 внешнего поля; E_ОБ – напряженность поля объемного положительного заряда; E_рез – результирующая напряженность в промежутке после ионизации
При отрицательной полярности острия электрическое поле непосредственно 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, захватываются 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 поверхности катода, которые, смешиваясь с положительным объемным зарядом, образуют у катода зародыш катодного 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 полем используется на практике для увеличения разрядных напряжений изоляционных промежутков.

Это увеличение достигается помещением в промежуток барьеров из твердого диэлектрика (электрокартон, гетинакс и др.). При положительном острие положительные ионы оседают на барьер и растекаются 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 напряженность поля не только между положительным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внешнем 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 устанавливаются на таком оптимальном расстоянии от острия, при котором разрядные напряжения максимальны (25–30% от длины промежутка между электродами), причем при положительной полярности острия разрядное напряжение может увеличиться в 2 раза по сравнению с промежутком такой же длины, но без барьера (рис. ):
Влияние барьера на пробивное напряжение газового промежутка при положительной (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.