Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. i...

51
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Электротехнический факультет Кафедра электрических станций ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ Краткий курс лекций Ч. I Разряды и пробои для студентов специальностей 100100, 100400 д/о, з/о, ПВЗ

Upload: marin-krasimirov-ivanov

Post on 28-Jul-2015

309 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический факультет

Кафедра электрических станций

ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Краткий курс лекцийЧ. I

Разряды и пробои

для студентов специальностей 100100, 100400 д/о, з/о, ПВЗ

Киров, 2003

Page 2: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

УДК. 621.316.9.

Составители: Петрухин А.Н. Поздняков Н.И.Чесноков И.П.Якимчук Н.Н.

Рецензент: Овчинников В.В., доцент кафедры Э ВятГУ

Подписано в печать Усл.печ.л.Бумага типографская Печать матричнаяЗаказ № Тираж БесплатноТекст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором

610000, г. Киров, ул. Московская, 36

Вятский государственный университет, 2003

Права на данное издание принадлежат Вятскому государственному университету

Page 3: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

Введение___________________________________________________________________4

1. Разряды в газах___________________________________________________________4

1.1.Общие положения____________________________________________________________4

1.2.Виды газового разряда_______________________________________________________5

1.3.Виды ионизации_____________________________________________________________6

1.4.Разряд в равномерном и слабонеоднородном поле_______________________________81.4.1.Первая теория Таунсенда__________________________________________________________81.4.2 Вторая теория Таунсенда_________________________________________________________101.4.3 Высокопрочные газы. Разряд в вакууме._____________________________________________12

1.5.Стримерная теория пробоя газа______________________________________________13

1.6.Пробой газа на импульсах___________________________________________________141.6.1.Понятие времени разряда_________________________________________________________151.6.2.Понятие о коэффициенте импульса_________________________________________________151.6.4.Параметры импульса_____________________________________________________________151.6.3.Вольтсекундные характеристики изоляции__________________________________________16

7.Разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика____________________18

8.Коронный разряд_________________________________________________________23

9.Жидкая изоляция_________________________________________________________28

10.Маслобарьерная изоляция________________________________________________31

11.Пробой твердых диэлектриков____________________________________________32

11.1.Электрический пробой твердых диэлектриков________________________________33

11.2.Тепловой пробой твердых диэлектриков_____________________________________34

11.3.Электрохимический пробой_________________________________________________36

Литература_______________________________________________________________37

Page 4: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

4

Введение

Развитие электроэнергетики на протяжении более ста лет шло за счет увеличения напряжения вырабатываемой и передаваемой электроэнергии. Уже в 1891 году была построена передача Франкфурт-Лауефен напряжением 15000 В, в 1911 году в Петербурге была создана первая в России высоковольтная лаборатория под руководством профессора М.А.Шателена. На протяжении 70 лет наша энергетика строилась в соответствии с положениями плана ГОЭЛРО 1920 г. и уже в 1939 году в Донбассе был введен в эксплуатацию генератор 100000 кВт – лучший в мире, в 60 годы наши гидроагрегаты также были лучше машин США, Германии и других стран.

Повышение номинального напряжения неизбежно приводило к увеличению и абсолютной стоимости изоляции и ее доли в стоимости высоковольтной аппаратуры. Сейчас стоимость изоляции трансформатора 750 – 1150 кВ измеряется миллионами рублей и превышает 90% стоимости агрегата.

Понимание процессов, происходящих в изоляции, позволяет создавать новые конструкции, используя как свойства новых видов изоляционных материалов, так и дополнительные преимущества за счет сочетания разных материалов. Проектирование, испытания и эксплуатация высоковольтного оборудования требуют от специалистов знания как в теории, так и в технике высоких напряжений.

1. Разряды в газах

1.1.Общие положения

Прикладывая к промежутку напряжение, мы создаем в нем электрическое поле, которое характеризуется напряженностью

(кВ/м).

Если напряженность поля во всех точках одинакова, то такое поле называется равномерным. Теоретически такое поле может быть получено между двумя бесконечными плоскостями, параллельными друг другу.

Page 5: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

5

Практически, при определенных ограничениях, равномерным считается поле между двумя шарами.

Неравномерным считается поле, если напряженность его в различных точках различна. Поле плоскость-плоскость слабонеоднородно за счет его изменения по краям. Поле острие-острие, острие-плоскость резко неравномерно.

Для разных полей есть правило – чем выше однородность поля, чем меньше разница и , тем выше пробивное напряжение диэлектрика.

1.2.Виды газового разряда

Идеальный газ не содержит заряженных частиц и являлся бы совершенным изолятором. В реальном газе содержатся заряженные частицы электроны или ионы, в атмосферном воздухе наблюдается до 500 пар ионов в 1 см3, и при повышении напряжения в воздушном промежутке протекает электрический ток небольшой величины.

При сильных полях в промежутке может появиться проводящий канал, воздух теряет свои изоляционные свойства, происходит «пробой газового промежутка» или «зажигание газового разряда».

При малой мощности источника и малом давлении возникает «тлеющий разряд», который характеризуется малым током и свечением всего промежутка. Это явление используется в технике газосветных приборов.

При малой мощности источника, но нормальном давлении возникает «шаровой разряд», ограниченный узким каналом и серией прерывистых искр.

При большой мощности источника возникает дуговой разряд с большим током разряда и температурой дуги и электродов.

Особой разновидностью искрового или дугового разряда следует считать разряд, который развивается по поверхности диэлектрика.

Если электроды с большой кривизной удалены на большое расстояние, то может возникать «коронный разряд», ограниченный областью около электродов и с повышением напряжения распространяющийся дальше.

В любом случае пробой свидетельствует о появлении в промежутке большого количества заряженных частиц, то есть об интенсивной ионизации газа. После пробоя газовый промежуток восстанавливает свои изоляционные свойства за счет рассеяния (диффузии) частиц в окружающую среду и рекомбинации ионов.

Page 6: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

6

1.3.Виды ионизации

Согласно упрощенной модели атом состоит из ядра и электронов, вращающихся по определенным орбитам. Потенциальная энергия атома минимальна, когда электроны располагаются на ближайших к ядру орбитах.

Сообщая атому энергию, мы можем добиться того, что электроны будут переходить на другую, более удаленную орбиту. Атом переходит в «возбужденное» состояние.

Если энергия достаточно велика, то электрон теряет связь с ядром и происходит ионизация атома. Эта энергия определенна и зависит от строения атома. Она оценивается потенциалом ионизации или энергией ионизации при условии, что заряд принимается равным 1

Возврат электрона на более близкую орбиту происходит с выделением энергии в форме кванта излучения

,

где -постоянная Планка ( эрг сек), -частота кванта.

Среди орбит электронов существуют так называемые «метастабильные», с которых он не может вернуться на более близкую, и для перевода необходимо сначала перевести электрон на более удаленную орбиту, с которой он может вернуться в нормальное состояние.

Ионизация атомов сводится к передаче энергии атому до потери связи электронов с ядром. Это может осуществляться различными способами.

При соударениях частиц происходит передача энергии. Если это осуществляется за счет кинетической энергии одной из частиц, то это - соударение первого рода. Например, при соударении электрона с атомом происходит образование иона и уже двух электронов или соударение двух атомов приводит к ионизации одного из них.

Если ионизация осуществляется за счет потенциальной энергии, то это - соударения второго рода.

Page 7: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

7

Вероятность ионизации не 100%, она растет с увеличением энергии и скорости летящей частицы до определенного предела, но затем опять падает, так как время взаимодействия частиц сокращается.

При облучении газа излучением с частотой так, чтобы , может происходить фотоионизация газа. Для обычных газов эта частота лежит в области ультрафиолетового диапазона. Более интенсивную ионизацию производит , , излучение, когда могут образовываться в результате процесса ионизации вторичные кванты (фотоны) или фотоэлектроны с большой ионизирующей способностью. Вследствие этого излучение газового разряда или радиоактивного источника может быть использовано для «подсвета» разрядного промежутка стабильного пробоя.

Изменение теплового состояния газа может приводить к термоионизации из-за соударения молекул газа при хаотическом движении или фотоионизации за счет теплового излучения. Более того, при последовательной передаче энергии может происходить «ступенчатая» ионизация, для чего наличие высоких температур не обязательно.

Степень термоионизации измеряется от 0 при Т~10000К до 1,0 при Т~20000К.

Как правило, в газовом промежутке всегда присутствуют другие материалы (электроды, конструкции), откуда могут появиться электроны.

Поверхностная ионизация возможна, если электрон в объеме металла получит дополнительную энергию (работа выхода) и преодолеет потенциальный барьер. Эта энергия существенно меньше потенциала ионизации. Ее можно сообщить электрону за счет нагрева (термоэмиссия), бомбардировки поверхности облучением коротковолновым излучением (фотоэффект) или воздействием внешнего поля (холодная эмиссия).

Основным видом ионизации в данном случае является ионизация ударом, когда частица, двигаясь в электрическом поле, накапливает энергию. Накопление энергии возможно на пути между двумя столкновениями, то есть на длине свободного пробега частицы .

, где -«эффективный радиус» частицы, определяющий

вероятность соударения частиц. Как следует из формулы

, .

Мероприятия, способствующие уменьшению длины свободного пробега, понижают степень ионизации.

Используя понятие «длина свободного пробега», можно определить вероятность пробега частицей пути без столкновений.

Page 8: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

8

Частицы, двигающиеся в поле по координате , испытывают столкновения, и число частиц, не испытавших столкновений все время уменьшается. При длине свободного

пробега число столкновений частицы на единице пути равно . Число

частиц, испытавших столкновение на пути равно . После

интегрирования получаем или - доля частиц,

пролетевших путь без столкновений или вероятность пролета пути без столкновений. Из этого выражения следует, что только 37% частиц будут иметь длину пробега , но 0,05% частиц будут иметь длину пробега

. Для газов при нормальном давлении мм.Процесс ионизации в промежутке дополняется диффузией

(рассеянием) заряженных частиц, что характеризуется коэффициентом диффузии

,

где -плотность ионного тока,

- градиент концентрации заряженных частиц,

-скорость теплового движения.

Одновременно с ионизацией в промежутке происходит рекомбинация (нейтрализация) заряженных частиц, оцениваемая коэффициентом рекомбинации

.

1.4.Разряд в равномерном и слабонеоднородном поле

Page 9: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

9

1.4.1.Первая теория Таунсенда

Если предположить в целях упрощения, что электрон двигается по направлению поля и набрав энергию ионизации всегда совершает ионизацию при соударении, и при этом полностью передает всю свою энергию, то, вводя понятие о коэффициенте объемной ионизации , равном числу ионизаций, совершаемых электроном на пути 1 см, можно

вывести соотношения, позволяющие определить условия пробоя.

Если с катода под действием внешнего ионизатора вылетает электронов, то, ускоряясь при движении в электрическом поле, они

будут совершать ионизацию, и на расстоянии от катода будет проходить электронов, на пути будет создано новых электронов

, или после интегрирования . В этом случае ток на

аноде на расстоянии от катода , что позволяет экспериментально определить .

Чтобы совершить ионизацию, электрон должен пролететь в поле с напряженностью вполне определенное расстояние , когда .Вероятность того, что электрон с пролетит без столкновений путь

равна . На единице пути электрон испытает столкновений, из

которых закончатся ионизацией, то есть

При , с учетом и обозначив

, получим

.

Постоянные A и В – константы газа.

Page 10: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

10

В общем виде .

Очень приближенно можно предположить, что для пробоя необходимо, чтобы коэффициент достиг определенного значения, то есть электрон совершил в промежутке достаточное число эффективных столкновений. Экспериментально определено, что , то есть большая часть столкновений не приводит к ионизации, а идет на нагрев и излучение, значительное число электронов вылетает из промежутка или «прилипает» к атомам и молекулам.

Условие самостоятельности разряда.Из соотношения следует, что при отсутствии внешнего

ионизатора ( ), , то есть разряд не является самостоятельным. При выводе его не учитывалась возможность ионизации положительными ионами. Вероятность этого в промежутке весьма мала, но положительные ионы способны осуществлять поверхностную ионизацию на катоде, и, если число дополнительно выбитых электронов будет велико, то разряд может стать самостоятельным.

1.4.2 Вторая теория Таунсенда

, где

- дополнительное число электронов, выбитых с катода + ионами.Обозначив через - число электронов, выбиваемых с катода одним +

ионом и зная, что в промежутке образовалось ионов , получим .

Откуда и , следовательно

.

Разряд становится самостоятельным при , или

. Физический смысл этого выражения таков: с катода вылетел

Page 11: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

11

1 электрон в промежутке в результате ионизации образовалось электронов в промежутке образовалось

ионов эти ионы,

ударяясь о катод, создали электронов, то есть

не менее 1 нового электрона.Реально

. Более

точные результаты могут быть получены при учете других ионизационных процессов.

В наши выражения входит , а так как ,

то логическим следствием является закон Пашена. , то есть увеличение давления в раз и одновременно уменьшение расстояния между электродами в раз сохраняет пробивное напряжение неизменным.

Более точно зависимость представлена на рис. 1.

Для воздуха в равномерном поле эта зависимость может быть записана

[кВ]

где - поправка на

относительную плотность воздуха.

Задача 1.1. Воздушный промежуток в 1 см между плоскими электродами характеризуется давлением 760 мм рт.ст. и напряженностью электрического поля 29 кВ/см. Определить число электронов, достигающих анода, если с катода отрывается 1 эл/сек, а в промежутке происходит процесс ударной ионизации.

Рис.1

Page 12: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

12

Решение. В соответствии с зависимостью коэффициент

ударной ионизации . Прирост числа электронов на пути выражается формулой

,

откуда

и после интегрирования имеем

, .

Так как при , то . Подставив заданные величины, получим:

откуда электр/сек.

1.4.3 Высокопрочные газы. Разряд в вакууме.

Ряд газов обладает малой и большим «сродством» электронов, за счет чего электроны «прилипают» к молекулам и дают –ионы, рекомбинирующие с +ионами.

Практическое применение в электротехнических конструкциях нашли азот, элегаз ( ) и фреон ( ). Пробивная напряженность элегаза или фреона примерно равна напряженности изоляционного масла, в 46 раз выше, чем для воздуха, что позволяет изготовлять изоляционные конструкции на 110 кВ и выше весьма компактными.

Page 13: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

13

Разряд в вакууме происходит при больших напряженностях, чем в воздухе за счет холодной эмиссии (вырывание электронов с поверхности)– левая часть кривой закона Пашена

, где и - константы металла электродов,

определяемые работой выхода электронов.Шлифовка поверхности электродов, покрытие поверхности

защитным слоем с большой работой выхода позволяет довести пробивное напряжение в вакууме до 300 кВ/см.

Неплохими характеристиками обладают вакуумные высоковольтные выключатели.

1.5.Стримерная теория пробоя газа

Теория Таунсенда объясняет закономерности газового разряда, особенно в малых промежутках, зависимость и т.д. Одновременно эта теория не учитывает время разряда, наличие канала разряда и отклонение пробивных напряжений при больших расстояниях.

Изучение развития разрядов в ионизационной камере показало следующее:

1. От катода к аноду проходит лавина электронов со скоростью см/сек. Этих лавин может быть несколько, по мере прохода

лавины увеличиваются в диаметре.2. После прохода лавин электронов от анода к катоду прорастает с

большой скоростью см/сек лавина с остроконечной вершиной, иногда разветвленной, называемая «стримером».

3. Как только вершина стримера достигает катода, возникает яркая вспышка и разряд сформировался.

В случае равномерного поля на I-й стадии по мере движения лавины происходит искажение поля в промежутке с накоплением в нем объемного заряда. Усиление поля на головке лавины def может привести к появлению ионизирующего фотоэлектрона и рождению новой лавины впереди первой. Пространство между лавинами заполнятся плазмой и рождается стример, растущий от катода.

Когда лавина замыкает промежуток, начинается II-я стадия. Электроны головки уходят на анод, а в области сильного поля у катода oab

Page 14: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

14

образуются фотоэлектроны, которые втягиваются в столб +ионов, по которому прорастает анодный стример.

В случае неравномерного поля наибольшая напряженность будет у электрода с большой кривизной и именно там начнется разряд независимо от полярности этого электрода, но развитие разряда может быть различным в зависимости от полярности.

Острие отрицательно.Лавина легко уходит с острия, оставляет + объемный заряд, который

дополнительно усиливает поле у катода, способствуя появлению новых лавин, но все они уходят в область более слабого поля и замедляют свое движение.Для образования стримера и завершения разряда необходимо повысить напряжение. В этом случае может образоваться стример на участке от катода до головы лавины и катод как бы прорастет к аноду.

Острие положительноПервая лавина образуется в промежутке сильного поля около + острия, и электроны уходят на острие – анод. В промежутке остается + заряд и искажение поля увеличивается, анод начинает прорастать к катоду стримером.

Роль барьеров при пробое газовНеравномерность электрического поля в конструкции приводит к

значительному снижению электрической прочности промежутков (с 30 кВ/см до 510 кВ/см). Устанавливаемый в промежутке барьер действует не как диэлектрик высокой прочности, а как приспособление для выравнивания электрического поля в промежутке. В некоторых случаях барьер может быть выполнен из металла или металлизированного материала.

Барьер при – острие малоэффективен, так как электроны легко проходят через него, но и разрядное напряжение в этом случае велико.

Page 15: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

15

Особенно эффективен барьер при + острие, если установлен у острия на удалении 2025% S , позволяющий повысить на 5080%.

1.6.Пробой газа на импульсах

При кратковременном приложении напряжения к промежутку величина пробивного напряжения может существенно меняться. Это зависит и от времени приложения напряжения и от формы его.

1.6.1.Понятие времени разряда

Время разряда включает в себя:1. Статистическое время запаздывания ( ) – время от момента

приложения напряжения, достаточного для ионизации, до появления эффективного электрона. Это время зависит от материала электродов, их состояния, а также состояния промежутка, его подсветки и т.д. и может колебаться весьма значительно. В некоторых особо неблагоприятных условиях оно может доходить до нескольких секунд.

2. Время формирования разряда ( ) – время от начала ионизации до завершения разряда. Это время зависит от скорости частиц газа, то есть свойств среды промежутка и приложенного напряжения

.

1.6.2.Понятие о коэффициенте импульса

Статическим называют напряжение, приложенное к промежутку длительное время. Практически это или постоянное напряжение, или напряжение Гц. Импульсным называют напряжение, приложенное кратковременно и имеющее или апериодическую форму, или значительную скважность.

Обычно пробивное напряжение при импульсах выше, чем статическое, поэтому вводится понятие коэффициента импульса

Page 16: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

16

При длинных импульсах при коротких достигает .

1.6.4.Параметры импульса

Изоляционное оборудование испытывается импульсным напряжением, имитирующим воздействие реальных атмосферных перенапряжений. Параметры импульса испытательного напряжения стандартизованы. Международная электротехническая комиссия требует

применения стандартной волны (микросекунд).

В СССР использовался импульс или срезанная волна (микросекунд).

Параметры волны определяются следующим образом: на осциллограмме волны отмечаются точки, соответствующие 0,3; 0,5; 0,9 амплитудного значения.

Фронт волны

отмечается по прямой, проведенной через значения 0,3 и 0,9 от условного 0 до 1,0 . Это делается потому, что 0 и 100% реальной волны на осциллограмме

фиксируются нечетко.Длина волны отмечается от условного 0 до времени снижения

до 50%. Если мы будем прикладывать к промежутку импульсное напряжение определенной формы многократно, то по мере увеличения его сначала пробоя не будет, потом будут наблюдаться отдельные пробои, потом в 100% случаев будет пробой. Поэтому за импульсное напряжение пробоя промежутка принято то напряжение, при котором при многократном приложении его пробой происходит в 50% случаев.

Рис.2

Page 17: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

17

1.6.3.Вольтсекундные характеристики изоляции

При подаче на промежуток стандартной волны вначале пробой происходит на хвосте волны (т.т. 13). В этом случае в расчет вводится реальное время разряда, но фиктивное напряжение – амплитудное напряжение волны. В дальнейшем пробои будут происходить на фронте волны (т.4), в расчет вводится реальное время и реальное напряжение пробоя. Совокупность точек образует вольтсекундную характеристику изоляции. Практическое значение вольтсекундных характеристик велико, так как при выборе защитной аппаратуры необходимо, чтобы верхняя граница вольтсекундной характеристики защиты была ниже всех точек нижней характеристики изоляции, что выполнить бывает весьма непросто.

1- область в.сек х-к изоляции; 2- область в.сек х-к защиты.

Опыт показывает, что в сильнонеравномерных полях при + острие , при - острие .

Для 50% импульсных напряжений в неравномерных полях также имеет зависимость от полярности и формы электродов.

Рис.4

Рис.3

Page 18: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

18

Рис.5

Page 19: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

19

7.Разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика

Практически все изоляционные конструкции, использующие газы, ограничены поверхностями твердого диэлектрика. Разряд в этом случае может развиваться по поверхности, даже если длина пути в несколько раз больше, чем по газовому промежутку. Пробивная напряженность в неблагоприятных условиях доходит до 1 кВ/см для воздуха.

Различают три случая расположения твердого диэлектрика в электрическом поле.

1. равномерное поле, вектор напряженности поля направлен параллельно поверхности диэлектрика, то есть отсутствует нормальная составляющая напряженности.

2. Неравномерное поле, вектор напряженности направлен примерно параллельно поверхности диэлектрика, , тангенциальная составляющая больше нормальной.

3.

Неравномерное поле,

Рис.6, а

Рис.6, б

Рис.6, в

Page 20: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

20

На напряжение разряда влияют следующие факторы:

1. Контакт электрода с поверхностью диэлектрика. При плохом контакте в этом месте повышается и снижается на 3050%.

2. Наличие дефектов поверхности – микротрещин, пор, неровностей. За счет повышения и возможных загрязнений снижается.

3. Адсорбция влаги на поверхности, особенно содержащей растворенные соли, снижает .

Для разрядов по поверхности сохраняется общая закономерность, чем выше степень неравномерности поля, тем ниже .

Корона возникает в местах повышенной , переходит в искровой разряд, так называемый скользящий разряд. Нормальная составляющая прижимает эти разряды к поверхности, вызывая ее разогрев, термическую ионизацию с разрушением изоляции, образованием проводящего канала и дальнейшим развитием до перекрытия.

Напряжение появления скользящих разрядов может быть определено по формуле Теплера

[кВ эфф],

где - удельная поверхностная емкость [Ф/см2],

а напряжение перекрытия

[кВ],

где - расстояние между электродами [см];

-скорость изменения [кВ/мкс].

Page 21: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

21

Повышение разрядного напряжения может быть достигнуто рациональным выбором формы изоляции ( должно быть направлена от поверхности д.э.), увеличением пути разряда (ребра), улучшением поверхности д.э. (глазирование, лак), ликвидацией мест концентрации (покрытие полупроводящими пастами, красками), увеличением толщины диэлектрика.

Изоляторы, работающие на открытом воздухе при дожде, должны выполняться с сильно развитыми ребрами, так как смоченная поверхность обладает хорошей проводимостью, и все напряжение будет приложено к частям изолятора, оставшимся сухими.

Большим недостатком изоляционных конструкций типа длинных изоляторов, штанг или гирлянд является неравномерное распределение напряжения по их длине, вызванное наличием емкости на провод и на

землю .На первых участках изоляции от провода существенно большее

падение напряжения ( до 50%) и увеличение длины изоляции или числа изоляторов в гирлянде не дает эффекта.

Выравнивать по поверхности возможно1. увеличением емкости первых изоляторов (изоляторы большего

размера, емкостное кольцо у провода, емкостной диск);2. изменением толщины изолятора (штанги) распределением ребер

по поверхности;3. нанесением полупроводящих паст и покрытий.

Рис.7 Рис.8

Page 22: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

22

Задача 7.1. Для измерения напряжения 110 кВ применена схема емкостного делителя, состоящая из двух последовательно соединенных конденсаторов и электростатического вольтметра на напряжение 10 кВ, шунтированного конденсатором емкостью пФ. Определить емкость каждого из конденсаторов , если емкость вольтметра пФ.

Р е ш е н и е . Эквивалентная емкость вольтметра и конденсатроа равна сумме их емкостей:

пФ.

Эквивалентная емкость двух конденсаторов , соединенных последовательно, равна

.

Найдем эквивалентную емкость всей схемы:

.

Кроме того, справедливо соотношение

а) б) в)

Рис.9

Page 23: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

23

откуда, после введения найденных величин, имеем

.

Задача 7.2. Плоский конденсатор с воздушной изоляцией и дисковыми электродами с закругленными краями имеет расстояние между электродами 2 см. Определить напряженность электрического поля в изоляции, если приложенное напряжение равно 40 кВ. Расчет повторить для случая, когда между электродами при том же расстоянии введена стеклянная пластинка толщиной 1 см с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 6.

Р е ш е н и е : Для первого случая имеем

.

Для второго случая при образовавшемся двухслойном диэлектрике определим

Полученная напряженность превышает среднюю прочность воздуха и он будет пробит. Пробой воздуха в данном случае не

влечет за собой пробоя второго слоя, но появление частичного пробоя технически недопустимо.

Задача 7.3. Определить наибольшую напряженность электрического поля и емкость подвесного изолятора типа П-4,5, находящегося под напряжением 35 кВ, если внутренний радиус металлической шапки из ковкого чугуна 5 см, а радиус заливки пестика 2,8 см. Материал изолятора – с диэлектрической проницаемостью 6, а угол охвата внутреннего электрода 240.

Р е ш е н и е : Применим для расчета емкости изолятора формулу, полученную для сферического конденсатора, считая, что фактическая

Page 24: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

24

емкость отличается о расчетной пропорционально величине охвата фарфора шапкой.

Обозначим расчетную емкость , фактическую , тогда из отношения

получим .Определим полную или расчетную емкость

тогда

Для расчета максимальной напряженности электрического поля используем формулу

8.Коронный разряд

Коронный разряд – это неполный самостоятельный разряд, возникающий в газе в резконеравномерном поле у электродов большой кривизны и при больших межэлектродных расстояниях. Разряд характерен резким увеличением тока утечки, характерным шелестящим звуком и свечением (чехол короны).

В технике коронный разряд используется для получения ионизированного газа, очистки помещений от пыли, обеззараживания воды, воздуха и продуктов, обычно при – коронирующем электроде.

В энергетике корона является источником потерь энергии в ЛЭП и весьма ощутимы, одновременно коронирующая линия весьма эффективно «съедает» перенапряжение, появляющееся при грозовых разрядах. Пульсация токов короны создает интенсивные помехи связи.

Page 25: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

25

При постоянном напряжении для коаксиальной линии напряженность поля, при которой зажигается корона

,

,

где , -постоянные, , , -коэффициент состояния поверхности провода ( для одиночного нового провода,

для многопроволочного старого провода).Напряжение зажигания короны связано с удельной емкостью

провода и может определяться через нее.Основной задачей исследований короны является определение

потерь на корону в ЛЭП. Точное аналитическое выражение решения пока не разработано, но пути решения следующие:

1. Определяется и сравнивается с на проводах ЛЭП.2. Рассчитывается мощность потерь на корону на единицу длины

линии для различных условий (хорошая погода, дождь и т.д.).3. Используя данные о погоде гидрометцентра определяются потери

энергии по участкам линии.

При переменном напряжении на проводах происходит пульсация объемных разрядов короны. С повышением объемный заряд удаляется от провода и предельное расстояние может быть определено по формуле

, [см],

где - подвижность ионов газа [см]; - радиус провода [см]; - длительность периода [сек].

При см, см, , сек, см.

Так как расстояние между проводами ЛЭП несколько метров, то расчет потерь на корону может вестись отдельно по каждой фазе.

Классической в технике высоких напряжений была формула Пика

Рис.10

Page 26: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

26

,

где - относительная плотность воздуха;

;

- коэффициент гладкости провода; - коэффициент погоды.

При оценке среднегодовых потерь их ведут из предположения 10% плохой погоды и 90% хорошей

.

Потери на корону в настоящее время достигают до 1,0 кВт/(км фазу), что приводит к потере энергии на линию в 200 км

млн [кВтч/год]

Для уменьшения потерь на корону практически единственным методом является увеличение диаметра провода. Корона не возникает, если

то есть для линии 500 кВ необходим провод диаметром не менее 7,5 см. Попытки вешать на ЛЭП такие пустотелые трубы оказались неудачными,

поэтому на высоковольтных ЛЭП провод в фазе расщепляется на 28 проводов с изолирующими растяжками 4060см. В этом случае расчет проводится по условному эквивалентному диаметру .

2 3 4

Page 27: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

27

Page 28: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

28

Потери мощности на корону для провода 3АСУ/400 по данным НИИПТ. 1- хорошая погода, относительная влажность 90%; 2- погода без видимых осадков, но с относительной влажностью 90%; 3 – сухой снег; 4 – мокрый снег; 5 – дождь интенсивностью больше 0,6 мм/ч; 6 – изморозь.

кВ

Page 29: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

29

Задача 8.1. Определить потери активной мощности на корону для линии электропередачи при напряжении 154 кВ, если протяженность линии 100 км, провод АС-50 м радиусом 0,48 см, провода расположены треугольником с расстоянием между ними 500 см. Температура воздуха 0С, давление 710 мм рт.ст., коэффициент негладкости 0,85, погода ясная.

Р е ш е н и е . Влияние атмосферных условия на корону учтем с помощью величины относительной плотности воздуха:

Определим критическое фазное напряжение:

Действующее фазное рабочее напряжение сети

Так как рабочее напряжение оказалось больше критического, то корона будет иметь место.

Для расчета потерь мощности на 1 км провода линии воспользуемся формулой Пика

Потеря мощности на все три провода

Потери мощности на всю линию заданной длины

.

Примечание. Величина найденных потерь показывает, что применение провода АС-50 на данной линии недопустимо.

Page 30: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

30

9.Жидкая изоляция

Высокие изоляционные свойства жидких диэлектриков обусловили широкое применение в высоковольтной технике, эти достоинства дополняются хорошей заполняемостью объема и хорошим отводом тепла.

При сохранении общей закономерности - более высокой пробивной напряженности в равномерном поле, пробивное напряжение жидких диэлектриков очень сильно зависит от примесей и степени очистки. Существует теория, согласно которой связывается с размерами и подвижностью частиц примесей, их диэлектрической проницаемостью.

Если считать, что пробой в жидкости связан с разрушением молекул, то пробивная напряженность жидких диэлектриков чрезвычайно высока, для толуола кВ/см. Особенно резко падают изоляционные свойства при попадании воды (рис.11). Уже 0,2% влаги способны снизить

в 10 раз, а это количество влаги трансформаторное масло способно поглотить из воздуха за 3 суток при отсутствии герметичности.

Твердые примеси могут попадать в масло из твердой изоляции (бумажные волокна) или могут образоваться при разложении масла, в том числе при частичных разрядах.

Твердые примеси в электрическом поле выстраиваются в цепочку, по которой возникает проводящий мостик на

постоянном токе. На переменном токе образуются скопления, которые искажают распределение поля. При импульсном воздействии образования мостов не происходит, и твердые примеси мало сказываются на .

Пробой очищенного диэлектрика носит ионизационный характер

,

где - начальный ток холодной эмиссии с катода;

Рис.11

Page 31: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

31

- эффективный коэффициент Таунсенда; - коэффициент рекомбинации, учитывающий прилипание

электронов к молекулам.

Более высокая теплопроводность электродов в жидком диэлектрике способствует повышению .

Контроль за величиной принято проводить в стандартных маслоприемниках, где электроды выполнены из медных или латунных дисков диаметром 25 мм, толщиной 58 мм, кромки дисков закруглены радиусом 2 мм. Стандартное расстояние между электродами 2,5 мм.

Нижний предел показателей жидких диэлектриков при Гц

Таблица 1№ наименование , кВ

1 Трансформаторное масло 30 2,0 0,0042 Конденсаторное масло 50 2,2 0,00053 Касторовое масло 50 4,6 0,00254 Вазелин 50 2,5 0,0055 Совол (синт. масло) 60 4,8 0,005

Такие показатели, как и , определяют потери в жидком диэлектрике при работе в высокочастотных установках, поэтому они также существенны при оценке качеств диэлектрика.

Увеличение промежутка увеличивает вероятность попадания примесей и снижает пробивное напряжение. В пределах 120 мм в равномерном поле прочность трансформаторного масла можно оценить по следующему выражению:

, [кВ]

При расстояниях 1080 см

, .

При дальнейшем увеличении расстояния стабилизируется

, то есть [кВ].

Page 32: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

32

Для электродов острие-плоскость при см

[кВ max].

В резконеоднородных полях зависимость пробивного напряжения от длительности воздействия его имеет весьма сложный характер.

Это связано с тем, что при различных временных воздействиях работают различные механизмы пробоя. При очень

малых временах

действует чисто электрический механизм пробоя с разрывом межатомных и межмолекулярных связей. При

больших временах

действует механизм теплового пробоя. Поэтому приходится ориентироваться на опытные зависимости или снимать характеристики самостоятельно, тем более, что при комбинации различных видов изоляции (маслобарьерная изоляция) пробивное напряжение может быть изменено весьма значительно.

В отличие от газовой изоляции, в жидких диэлектриках увеличение импульсного напряжения вызывает постепенное

увеличение числа пробоев от минимального до 100%. В связи с этим использование 50% нецелесообразно. При конструировании изоляции необходимо знать и минимальное , при котором возникают единичные пробои и минимальное напряжение пробоя 100%.

Рис.12

Рис.13

Page 33: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

33

10.Маслобарьерная изоляция

Увеличение межэлектродного расстояния в жидкой изоляции не дает существенного увеличения пробивного напряжения. В то же время значительного уменьшения габаритов конструкции можно достигнуть применением сочетания твердой и жидкой изоляции.

Различают три основных разновидности сочетаний: покрытие, изолирование и барьер.

1. Покрытие - тонкий слой твердого диэлектрика толщиной до 12 мм, плотно прилегающий к электроду. Покрытие не меняет формы поля и напряженности в жидком диэлектрике. Эффективность действия покрытия связана с изменением работы выхода с поверхности электрода, то есть затруднением появления первого эффективного электрона. Наиболее эффективно покрытие при напряжении частотой 50 Гц и масле низкого качества, когда увеличение пробивного напряжения достигает 50100% и эффективность тем выше, чем более равномерно поле.

Дополнительно покрытие уменьшает разброс значений пробивного напряжения, поднимая его нижнюю границу. Этот разброс превышает 100% в случае значительного увеличения и сильных загрязнений.

Для электродов [кВ эфф].

2. Изолирование – плотное прилегание к электроду твердого диэлектрика значительной толщины (до нескольких см). Слой твердой изоляции принимает на себя часть электрической нагрузки и изменяет форму и величину напряженности, действующей в жидком диэлектрике.

При выполнении покрытия необходимо учитывать, что распределение напряжения по промежутку зависит от емкости слоя, следовательно для разгрузки жидкого диэлектрика желательно выполнение покрытия высокопрочным материалом с большой диэлектрической проницаемостью.

Определение пробивного напряжения в этом случае сводится к раздельному расчету пробивных напряжений твердого и жидкого слоев с дополнительным учетом выравнивания напряженности изменением формы слоем твердой изоляции.

3. Барьер – слой твердого диэлектрика толщиной 410 мм между электродами, не зависящий от их формы.

В случае равномерного поля тонкий барьер играет роль перегородки, препятствующей образованию проводящих мостов из примесей, он повышает пробивное напряжение примерно на 25%. В случае неравномерного поля тонкий барьер выравнивает распределение

Page 34: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

34

электрического поля, накапливая заряды, которые растекаются по его поверхности и превращают барьер в электрод. Многократные барьеры

увеличивают эффект.

Толстый барьер весьма эффективен в

резконеоднородных полях для импульсных напряжений при установке вблизи электрода с большой кривизной. Испытательное напряжение для масляного промежутка между обмотками трансформатора при наличии барьера может быть приближенно определено:

для 50 Гц ,

для импульса 1,5/40 .

Практически для трансформаторов при установке барьеров целесообразно применение промежутков до 2025 см, достаточное для напряжений до 750 кВ эфф.

11.Пробой твердых диэлектриков

Твердые диэлектрики, благодаря своим высоким изоляционным качествам, остаются основным видом изоляции электрических машин и аппаратов. Появление синтетических твердых диэлектриков позволило создать конструкции, способные работать во всем диапазоне высших напряжений, а сочетание различных видов изоляции (слоистая или композитная) обеспечивает дополнительные преимущества.

Рис.14

Page 35: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

35

Различают три формы пробоя твердого диэлектрика: электрическую, тепловую и электрохимическую (ионизационную).

11.1.Электрический пробой твердых диэлектриков

Электрический пробой происходит в течение весьма короткого времени (~10-8 сек) и обычно имеет место при низких температурах и малых временах приложения напряжения. Пробой завершается образованием узкого изломанного канала без следов оплавления.

Первоначально за счет эмиссии с катода появляется первый электрон, который, ускоряясь в электрическом поле, вызывает ударную ионизацию с образованием лавины. В процессе движения электроны могут терять энергию внутри кристаллической решетки и при соударениях с атомами или молекулами. Пробой завершится, если при движении в поле электроны будут приобретать энергию большую, чем они рассеивают в

решетке.Особенность

электрического пробоя в том, что повторное приложение напряжения приводит, как правило, к образованию новых

путей пробоя, то есть первичный пробой не выводит из строя изоляцию.Исследование прочности твердых диэлектриков проводится на

образцах, которые позволяют получить примерно однородное поле. Для предотвращения поверхностных разрядов образцы погружают в среду с большой диэлектрической проницаемостью (трансформаторное масло, толуол, кремнийорганические жидкости).

Для однородного поля стабильна, то есть зависимость между

и линейна, что позволяет характеризовать твердый диэлектрик .

В неравномерном поле ниже и зависимость нелинейна от расстояния. Это связано с перенапряжениями, облегчающими пробой и возникновение в местах концентрации напряженности краевых разрядов, усиливающих неравномерность.

а) б)Рис.15

Page 36: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

36

Таблица 2№ п/п материал

(кВ эфф)/см1 Воск 2503002 Картон 1201503 Асбест 20604 Лакоткань 5006005 Фарфор 2503006 Полистирол 2505007 Фторопласт 130025008 Кварц 10002000

Примечание. Для синтетических и пленочных материалов значения приведены для образцов небольшой толщины, до 1 мм.

В слоистых и неоднородных диэлектриках на границах слоев (пор) концентрируется напряженность и начинается ионизация, снижающая пробивное напряжение. Увеличение времени приложения напряжения снижает .

В области малых времен повышается за счет уменьшения вероятности появления первого эффективного электрона. Для некоторых диэлектриков наблюдается снижение в области 10-

610-2 сек, что связано с появлением и влиянием объемных разрядов.

11.2.Тепловой пробой твердых диэлектриков

Теория теплового пробоя была разработана в 1922 г. Фоком. Согласно его теории пробой твердого диэлектрика наступает тогда, когда диэлектрик будет расплавлен током, проходящим через него при приложении электрического поля.

На стыке изломов кристаллических решеток возникают места, обладающие повышенной проводимостью, увеличение плотности тока по этим путям приводит к увеличению выделения тепла и разогреву с

Рис.16

Page 37: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

37

дополнительным увеличением проводимости. Процесс может нарастать до образования канала малого сопротивления.

- количество тепла, которое выделяется в канале

,

где - приложенное напряжение; - средняя проводимость канала; - площадь поперечного сечения канала; - длина канала.

- тепло, отводящееся от стенок канала.

,

где - коэффициент теплоотдачи.

Пробой возможен при условии

а) б)Рис.17

Page 38: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

38

откуда

, и

.

Проведенные эксперименты подтвердили эту зависимость. Повышение пробивного напряжения может быть достигнуто за счет увеличения (материалы с лучшей теплоотдачей), уменьшения (материалы с меньшей проводимостью), (материалы с большей плотностью и однородностью).

11.3.Электрохимический пробой

Воздействие ультрафиолетового излучения солнца, озона, повышенной температуры приводит к изменению состояния твердого диэлектрика. В первую очередь ускоренному старению подвержены включения газа, волокон, зерна. Зависимость от времени носит название «кривая жизни». Пробой в этом случае фактически происходит уже в диэлектрике другого состава и строения, то есть с другими электрическими свойствами.

Рис.18

Page 39: Изоляция и перенапряжения краткий курс лекций Ч. I разряды и про

39

В 30-х годах 20-го века действовало так называемое «шестиградусное правило» – устойчивое повышение температуры изоляции трансформатора на 6С приводит к сокращению срока службы его вдвое. Впоследствии это правило действовало в неявном виде.

Учет «кривой жизни» изоляции позволит повысить надежность работы высоковольтных конструкций.

Литература

1.Сиротинский Л.И. Техника высоких напряжений. т.т.13. М.:ГЭИ. 1952 г.

2.Техника высоких напряжений. Под. ред. Д.В.Разевига, М.: ГЭИ. 1963, 1973 г.г.

3.Михалков А.В. Техника высоких напряжений в примерах и задачах. М.: Высшая школа. 1965 г.

4.Авруцкий В.А. и др. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента. М.: МЭИ, 1983 г.

Рис.19