Техника высоких напряжений. Курс лекций

Важов В. Ф., Лавринович В. А., Лопаткин С. А. Техника высоких напряжений / Курс лекций для бакалавров направления 140200 «Электроэнергетика» — Томск: Изд-во ТПУ, 2006. — 119с.

Курс лекций предназначен для студентов электроэнергетического направления, может быть полезен инженерно-техническим работникам заводов, энергосистем и проектных институтов.

Оглавление
Введение
1. Разряды в газах
1.1. Конфигурация электрических полей
1.2. Ионизационные процессы в газе
1.3. Виды ионизации
1.4. Лавина электронов
1.5. Условие самостоятельности разряда
1.6. Образование стримера
1.7. Закон Пашена
1.8. Разряд в неоднородных полях
1.9. Эффект полярности
1.10. Барьерный эффект
1.11. Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции (вольт-секундная характеристика— ВСХ)
1.12. Коронный разряд
1.13. Потери энергии при коронированнии
1.14. Разряд в воздухе по поверхности изоляторов
1.15. Пробой жидких диэлектриков
1.16. Пробой твердой изоляции
2. Высоковольтная изоляция
2.1. Высоковольтные изоляторы
2.2. Изоляция высоковольтных конденсаторов
2.3. Изоляция трансформаторов
2.4. Изоляция кабелей
2.5. Изоляция электрических машин
2.6. Профилактика изоляции
3. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения
3.1. Установки для получения высоких переменных напряжений
3.2. Установки для получения высоких постоянных напряжений
3.2.1. Каскадный генератор постоянного тока
3.3. Импульсные испытательные установки
3.3.1. Генератор импульсных токов (ГИТ)
3.4. Измерение высоких напряжений
3.4.1. Шаровые разрядники
3.4.2. Электростатические вольтметры
3.4.3. Делители напряжения (ДН)
3.4.3.1. Омический делитель (R1>>R2)
3.4.3.2. Емкостный делитель (C1>>C2)
3.4.3.3. Смешанный делитель напряжения
4. Перенапряжения и защита от них
4.1. Классификация перенапряжений
4.2. Внутренние перенапряжения
4.3. Грозозащита воздушных линий электропередач и подстанций
4.3.1. Защита от прямых ударов молнии
4.3.2. Зона защиты стержневого молниеотвода
4.3.3. Зона защиты тросового молниеотвода
4.3.3. Грозоупорность объектов (ВЛ)
4.4. Средства защиты от перенапряжений
4.5. Волновые процессы в линиях
4.5.1. Преломление и отражение волн в узловых точках
4.5.2. Перенапряжения при несимметричном отключении фаз
4.6. Волновые процессы в обмотках трансформаторов
4.6.1. Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформаторов
4.6.2. Установившийся режим (или принужденный режим)
4.6.3. Переходный процесс
4.6.4. Определение напряжения вдоль обмоток 3-х фазного трансформатора
4.6.4.1. Звезда с заземленной нейтралью
4.6.4.2. Звезда с изолированной нейтралью
4.6.4.3. Соединение обмоток треугольником
4.6.5. Передача волн перенапряжения из одной обмотки в другую
4.7. Перенапряжения при отключении ненагруженных ЛЭП и батарей конденсаторов
4.7.1. Отключение ненагруженных ВЛ
4.7.2. Отключение батарей конденсаторов
4.7.3. Дугогасящие аппараты
Заключение
Литература
Дополнительная

Источник

Техника высоких напряжений в электроэнергетике, виды изоляции установок и координация изоляции

Техника высоких напряжений

Техника высоких напряжений является одной из базовых дисциплин ряда электротехнических, электроэнергетических и электрофизических специальностей.

Она находит широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Применительно к электроэнергетическим системам высокого напряжения эта дисциплина рассматривает электрическую изоляцию и процессы, происходящие в изоляции при воздействии номинальных (рабочих) напряжений и перенапряжений.

К установкам высокого напряжения, исходя из особенностей процессов в электрической изоляции, относят установки на номинальное напряжение свыше 1000 В.

Курс техники высоких напряжений обычно разделен на две части. В первой части изучаются проблемы, относящиеся к конструированию, технологии, испытаниям и эксплуатации изоляции электрических установок. Во второй части изучаются возникновение перенапряжений в электрических сетях и методы их ограничения.

Обе части техники высоких напряжений тесно увязаны между собой и полное решение проблем той или другой части должно проводиться во взаимной связи.

В комплекс вопросов рассматриваемых техникой высоких напряжений входят:

электрическое поле при высоких напряжениях ;

электрический разряд и прибой в диэлектриках ;

электрическая изоляция и изоляционные конструкции ;

перенапряжения и методы защиты от перенапряжений ;

вопросы, связанные с оборудованием высоковольтных лабораторий, высоковольтными измерениями, методами профилактических испытаний изоляции и изоляционных конструкции, токами в земле и устройствами заземлений.

Каждый из этих вопросов имеет свои особенности и самостоятельное значение. Однако все они направлены на решение основной задачи техники высоких напряжений — создание и обеспечение надежно работающей электрической изоляции установок высокого напряжения (создание изоляционных конструкций, обладающих рациональными в технико-экономическом отношении уровнями изоляции).

Так, например, разряды в газах имеют большое самостоятельное значение, но в технике высоких напряжений они рассматриваются с точки зрения изоляционных свойств, так как газы, особенно воздух, имеются во всех изоляционных конструкциях.

Эта научная дисциплина возникла одновременно с появлением первых установок высокого напряжения, когда электрическая изоляция стала определять надежность их работы.

По мере роста номинальных напряжений установок возрастали требования к изоляции. Эти требования в значительной степени определяются теми переходными процессами, которые возникают в различных частях электрических установок при переключениях в электрической цепи, замыканиях на землю и др. (внутренние перенапряжения) и при грозовых разрядах (атмосферные перенапряжения).

В связи с решением задач техники высоких напряжений потребовались специальные высоковольтные лаборатории, позволяющие получать высокие напряжения различных видов и форм, а также измерительные приборы высокого напряжения.

Поэтому техника высоких напряжений рассматривает основное оборудование современных испытательных лабораторий высокого напряжения и измерения на высоком напряжении.

Кроме того, рассматривается протекание токов в земле (промышленной частоты и импульсных) с точки зрения устройства рабочих и защитных заземлений, необходимых для обеспечения режимов работы установок высокого напряжения и безопасности их обслуживания.

«Техника высоких напряжений» — это единственная дисциплина учебных планов, в которой комплексно рассматривается работа изоляционных конструкций в электрических системах, поэтому она является одной из базовых дисциплин для всех электроэнергетических и электротехнических специальностей.

Виды изоляции электроустановок высокого напряжения

Современные электроэнергетические системы, состоящие из ряда электростанций (АЭС, ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ), подстанций, воздушных и кабельных линий электропередач, содержат три основных вида изоляции высокого напряжения: станционную, подстанционную и линейную изоляции.

К станционной изоляции относят изоляцию электрооборудования, предназначенного для внутренней установки, т. е. изоляцию вращающихся машин (генераторов, двигателей и компенсаторов), электрических аппаратов (выключателей, разрядников, реакторов и др.). силовых трансформаторов и автотрансформаторов, а также электроизоляционные конструкции внутренней установки (проходные и опорные изоляторы и др.).

К подстанционной изоляции относят изоляцию электрооборудования, предназначенного для наружной установки (на открытой части подстанции), т. е. изоляцию силовых трансформаторов и автотрансформаторов, электрических аппаратов наружной установки, а также электроизоляционные конструкции наружной установки.

К линейной изоляции относят изоляцию воздушных линий и изоляцию кабельных линий.

Электрическую изоляцию установок высокого напряжения делят на внешнюю и внутреннюю. К внешней изоляции относят электроизоляционные устройства и конструкции, находящиеся в воздухе, а к внутренней изоляции — устройства и конструкции, находящиеся в жидкой или полужидкой среде.

Изоляция высокого напряжения определяет надежность работы электроэнергетических систем, и поэтому к ней предъявляются требования электрической прочности при воздействии высоких напряжений и перенапряжений, механической прочности, устойчивости к воздействиям окружающей среды и т. п.

Изоляция должна длительно выдерживать рабочее напряжение, а также воздействия различных видов перенапряжений.

Внешняя изоляция, предназначенная для установки на открытом воздухе, должна надежно работать при дожде, снеге, гололеде, различных загрязнениях и др. Внутренняя изоляция по сравнению с изоляцией на открытом воздухе, как правило, имеет лучшие условия работы. В горных районах внешняя изоляция должна надежно работать при пониженных давлениях воздуха.

Многие виды электроизоляционных конструкций должны обладать повышенной механической прочностью. Так, например, опорные и проходные изоляторы, вводы и пр. должны неоднократно выдерживать воздействие больших электродинамических сил при коротких замыканиях, линейные изоляторы (гирлянды) и высокие опорные электроизоляционные конструкции — ветровую нагрузку, так как ветер может создавать большие давления.

Ограничение опасных для изоляции перенапряжений при различных режимах работы осуществляется с помощью специальных защитных устройств.

Основными защитными устройствами являются разрядники, ограничители перенапряжения, защитные емкости, дугогасящие и реактивные катушки, молниеотводы (тросовые и стержневые), быстродействующие выключатели с устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Разумные эксплуатационные мероприятия помогают обеспечить надежную работу изоляции при применении разрядников и других защитных устройств. К ним можно отнести координацию изоляции, организацию периодических профилактических испытаний изоляции (с целью выявления и удаления ослабленной изоляции), заземление нейтралей трансформаторов и др.

Одним из основных вопросов, возникающих при проектировании изоляции в технике высоких напряжений, является определение так называемого «уровня изоляции», т. е. напряжения, которое она может выдержать, не повреждаясь.

Изоляцию электроустановок нужно выполнять с таким запасом электрической прочности, при которой не будет перекрытия (пробоя) при любых возможных перенапряжениях. Однако такая изоляция оказывается чрезмерно громоздкой и дорогой.

В силу этого при выборе изоляции целесообразно идти не по линии создания запаса электрической прочности ее, а по линии применения таких защитных мероприятий, которые, с одной стороны, предотвращают появление опасных для изоляции волн перенапряжений, а с другой стороны, защищают изоляцию от появившихся волн перенапряжений.

Поэтому изоляцию выбирают определенного уровня, т. е. определенной величины по испытательным разрядным и пробивным напряжениям с учетом защитных мероприятий.

Уровень изоляции и защитные мероприятия должны быть выбраны таким образом, чтобы изоляция не разрушалась от воздействий различных форм перенапряжений, возникающих в данной установке, и при этом имела бы минимальные габариты и стоимость.

Согласование принятого уровня изоляции и защитных мероприятий с воздействующими на изоляцию перенапряжениями называется координацией изоляции.

Уровни изоляции установок напряжением 220 кВ включительно определяются в основном величинами атмосферных перенапряжений, т. е. они лежат значительно выше величин внутренних перенапряжений, и координация изоляции в них основывается на импульсных характеристиках.

Уровни изоляции установок 330 кВ и выше определяются в основном внутренними перенапряжениями, и координация изоляции в них основывается па учете возможных величин этих перенапряжений.

Координация изоляции в большой степени зависит от режима работы нейтрали установки. Установки с изолированной нейтралью требуют более высокого уровня изоляции, чем установки с глухозаземленной нейтралью.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

1 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ курс лекций для бакалавров направления «Электроэнергетика» Томск, 2006 г.

2 УДК (07) Важов В. Ф., Лавринович В. А., Лопаткин С. А. Техника высоких напряжений / Курс лекций для бакалавров направления «Электроэнергетика» Томск: Изд-во ТПУ, с. В краткой форме в соответствии с программой по ТВН изложены основы электрических разрядов в газообразных, жидких, твердых и комбинированных диэлектриках, конструкции внешней изоляции линий электропередач и подстанций, изоляция оборудования высокого напряжения (силовых трансформаторов, высоковольтных конденсаторов, кабелей, электрических машин, коммутационных аппаратов), высоковольтные испытательные установки, испытания и измерения, внутренние и грозовые перенапряжения в электрических системах, меры и средства защиты от них. Курс лекций предназначен для студентов электроэнергетического направления, может быть полезен инженерно-техническим работникам заводов, энергосистем и проектных институтов.

3 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ Оглавление Введение Разряды в газах Конфигурация электрических полей Ионизационные процессы в газе Виды ионизации Лавина электронов Условие самостоятельности разряда Образование стримера Закон Пашена Разряд в неоднородных полях Эффект полярности Барьерный эффект Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции (вольтсекундная характеристика ВСХ) Коронный разряд Потери энергии при коронировании Разряд в воздухе по поверхности изоляторов Пробой жидких диэлектриков Пробой твердой изоляции Высоковольтная изоляция Высоковольтные изоляторы Изоляция высоковольтных конденсаторов Изоляция трансформаторов Изоляция кабелей Изоляция электрических машин Профилактика изоляции Высоковольтное испытательное оборудование и измерения Установки для получения высоких переменных напряжений Установки для получения высоких постоянных напряжений Каскадный генератор постоянного тока Импульсные испытательные установки Генератор импульсных токов (ГИТ) Измерение высоких напряжений Шаровые разрядники Электростатические вольтметры Делители напряжения (ДН) Омический делитель (R 1 >>R 2 ) Емкостный делитель (C 2 >>C 1 ) Смешанный делитель напряжения

4 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин 4. Перенапряжения и защита от них Классификация перенапряжений Внутренние перенапряжения Грозозащита воздушных линий электропередач и подстанций Защита от прямых ударов молнии Зона защиты стержневого молниеотвода Зона защиты тросового молниеотвода Грозоупорность объектов (ВЛ) Средства защиты от перенапряжений Волновые процессы в линиях Преломление и отражение волн в узловых точках Перенапряжения при несимметричном отключении фаз Волновые процессы в обмотках трансформаторов Начальное распределение напряжения вдоль обмотки трансформаторов Установившийся режим (или принужденный режим) Переходный процесс Распределение напряжения вдоль обмоток 3-х фазного трансформатора Звезда с заземленной нейтралью Звезда с изолированной нейтралью Соединение обмоток треугольником Передача волн перенапряжения из одной обмотки в другую Перенапряжения при отключении ненагруженных ЛЭП и батарей конденсаторов Отключение ненагруженных ВЛ Отключение батарей конденсаторов Дугогасящие аппараты Заключение Литература Дополнительная

5 Введение Кафедра ТЭВН ЭЛТИ Техника высоких напряжений (ТВН) возникла в связи с необходимостью электропередачи больших электрических мощностей на дальние расстояния. В 1880 году профессор Петербургского лесного института Д. А. Лачинов разработал и изложил теорию передачи электроэнергии на большие расстояния повышение напряжения и уменьшение тока по мере увеличения дальности и передаваемой мощности. Соответственно запросам энергетики развивалась техника высоких напряжений. Потребовалось создание промышленных высоковольтных установок переменного, постоянного и импульсного напряжений, а также установок для проведения исследований и испытаний изоляции при воздействии различных видов высокого напряжения. Повышение уровня напряжений требовало изучения физических явлений, механизмов воздействия электромагнитных полей высокого напряжения на изоляцию в различных условиях эксплуатации. В настоящее время номинальное напряжение ЛЭП достигает В, а передаваемая мощность по одной цепи такой линии составляет 6 Гигаватт. Общая протяженность электрических сетей в России с номинальным напряжением кв превосходит км. Чрезвычайно большое значение при этом приобретают вопросы создания и эксплуатации комплекса оборудования, необходимого для генерирования, передачи, преобразования и распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов и др. аппаратов. Высокие напряжения широко используются в электротехнологиях: окраска, электрофильтры, очистка воды, электрогидравлические и электроимпульсные технологии бурение, дробление, резание горных пород и др.; в электрофизических установках управляемый термоядерный синтез, ускорители, лазеры и др. Курс лекций состоит из 4-х крупных разделов: 1. Разряды в диэлектриках. 2. Высоковольтная изоляция. 3. Высоковольтное оборудование и измерения. 4. Перенапряжения и защита от них. Поскольку основной причиной выхода из строя высоковольтного оборудования являются отказы изоляции, то наибольшие усилия направляются на сохранение ее в целостности. И здесь особую роль играет знание закономерностей зарождения и развития разрядов в диэлектриках (в изоляции). В высоковольтном оборудовании используются газообразные, жидкие, твердые изоляционные материалы и их комбинации. 5

6 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин Изоляция разделяется на внешнюю (воздух и все, что находится в воздухе) и внутреннюю (эта изоляция отделена от окружающей среды корпусами и может быть газообразной, жидкой, твердой, комбинированной). 1. Разряды в газах Воздух до сих пор остается основным видом внешней изоляции линий электропередачи, энергетического оборудования и высоковольтной техники. Традиционный путь создания изоляционных конструкций, включающий их полномасштабные натурные испытания еще на поисковом этапе работы, с увеличением номинальных напряжений становятся все менее перспективным. Техника испытаний становится трудоемкой и требует все больше временных и материальных затрат. В связи с этим возникает потребность в численных оценках электрической прочности воздушных промежутков на основе расчетных моделей, достоверно отражающих закономерности развития разряда в воздухе Конфигурация электрических полей Диэлектрики служат для изоляции токоведущих электродов разной полярности друг от друга. Изолируемые электроды (шины распределительных устройств, провода линий электропередач, наружные токоведущие части электрических аппаратов и т. п.) создают электрические поля различной конфигурации. От формы электрического поля зависит электрическая прочность и пробивное напряжение. Формы электрических полей подразделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Типичными примерами однородного поля является поле между двумя плоскопараллельными электродами и электродами Роговского, слабонеоднородное поле реализуется в системе электродов шар-шар (рис. 1.1) при расстоянии между электродами S меньше диаметра шара D (S 7 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ а) б) Рис Формы электрических полей: а симметричная система электродов; б несимметричная система электродов Средняя напряженность есть отношение напряжения, приложенного к электродам, U, к расстоянию между электродами, S, U E ср =. (1.2) S Максимальная напряженность зависит от приложенного к электродам напряжения, конфигурации, размеров электродов и расстояния между ними. Например, для коаксиальных цилиндров (кабель) (рис. 1.2) максимальная напряженность определяется, как U E макс =, (1.3) R r ln r а средняя напряженность U Eср =, (1.4) R r где U приложенное напряжение, кв; r внешний радиус внутреннего цилиндра (жила кабеля), см; R внутренний радиус наружного цилиндра (оплетка кабеля), см. R r Рис Схема коаксиальных электродов Подставив (1.3) и (1.4) в (1.1), получим: 7

8 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин R r KН =, (1.5) R r ln r т. е. К Н зависит от геометрических размеров электродов. Для однородного поля коэффициент неоднородности К Н = 1, для слабонеоднородного К Н 3, для резконеоднородного К Н > 3. Кроме этого различают симметричную и несимметричную систему электродов. Симметричная форма электроды имеют одинаковую форму и размеры и отсутствует заземление какого-либо из них (рис. 1.1, а). Несимметричная форма электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (рис. 1.1, б). Пробивные напряжения в несимметричной системе электродов ниже, чем в симметричной Ионизационные процессы в газе В отсутствие внешнего электрического поля частицы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала Z столкновений, то средняя длина ее свободного пробега λ равна: 1 λ =. (1.6) Z Значение λ зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры λ уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, если таковые имеются, т. е. к появлению в газе электрического тока. Подвижность частицы в электрическом поле зависит от ее массы: чем больше масса частицы, тем меньше ее подвижность. При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны находятся на наименьших стационарных орбитах, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с другой частицей или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение). Время пребывания атома в 8

9 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ возбужденном состоянии составляет

10-10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, поглощенная атомом, называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эв). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых содержащихся в воздухе газов приведены в табл Таблица 1.1 Энергии возбуждения и ионизации газов Минимальная энергия, эв Газ возбуждения ионизации N 2 6,1 15,5 N 6,3 14,5 O 7,9 12,5 O 2 9,1 13,6 H 2 O 7,6 12,7 Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов ионизация и рекомбинация устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа, т. е. отношением концентрации ионизованных частиц к общей концентрации частиц. K n = ион ион, (1.7) NΣ где K ион коэффициент степени ионизации газа; n ион концентрация ионизованных частиц; N Σ общая концентрация частиц (N Σ атомов на см 3 ). Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована, называется плазмой (n ион ионов на см 3 ). Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова. Плазма форма существования вещества при температуре примерно 5000 К и выше. 9

10 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин При столкновении электронов с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются электроположительными (азот, гелий) Виды ионизации Различают объемную и поверхностную ионизации. Объемная ионизация образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов. Объемная ионизация подразделяется: 1) ударная ионизация; 2) ступенчатая ионизация; 3) фотоионизация; 4) термоионизация. Ударная ионизация соударение электрона с нейтральным атомом или молекулой. Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой скорости приобретают под действием электрического поля направленную скорость V=kE, (1.8) где V скорость, см / с; k коэффициент пропорциональности, получивший название «подвижность» скорость дрейфа заряженной частицы в электрическом поле с Е = 1 В / см, [см 2 / (В с) размерность подвижности k]: 2 см k эл 400 подвижность электронов; B c 2 см k ион 2 подвижность ионов; B c Е напряженность внешнего электрического поля, В / см. При этом кинетическая энергия частиц может быть существенно больше тепловой энергии и достаточной для осуществления ударной ионизации нейтральных частиц. Условие ионизации может быть записано в виде: где m V 2 2 W И (1.9) 10

11 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ m эффективная масса заряженной частицы, кг ( m эл = 91, 10 кг 27 эффективная масса электрона; m прот = 1, 7 10 кг эффективная масса протона); V скорость движения заряженной частицы, м / с; W И энергия ионизации нейтрального атома или молекулы, эв. Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами. На рис. 1.3, а приведена схема ударной ионизации электроном. Условием ударной ионизации электроном является: m V W И, где m 1 масса электрона; V 1 скорость электрона; W И энергия ионизации молекулы (атома). 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. Воздействие второго электрона на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации. Время между воздействием первого и второго электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. На рис. 1.3, б, приведена схема ступенчатой ионизации. Условием ступенчатой ионизации является: m 1 V m + 1 V W И, где m 1 масса электрона; V 1, V 3 скорости электронов; W И энергия ионизации молекулы (атома). 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. На рис. 1.3, в, показана схема фотоионизации. Условием фотоионизации является hν W И, 31 11

12 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин где h постоянная Планка, ν собственная частота фотона. e 2 e 1 V 2 e 1 V 1 Электрон Ион e 2 V 3 Молекула а) e 3 V 4 e 1 V 1 e 2 e 3 V 3 e 2 e 2 V 2 Электрон Молекула e 1 V Ион e 1 V б) Фотон hν e Молекула в) Ион ev 1 Рис Схемы объемной ионизации газа: а) ударная ионизация, б) ступенчатая ионизация, в) фотоионизация; е элементарный заряд электрона (е=1, Кл), m масса заряженной частицы Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих актов: 1) освобождение электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах; 2) фотоионизация нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах; 3) ионизация при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах. В газе при тепловом движении происходит диссоциация молекул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации. В табл. 1.2 в качестве примера приведены энергия диссоциации и ионизации для некоторых газов. 12

13 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ Таблица 1.2 Энергии диссоциации и ионизации Молекула Энергия диссоциации, Энергия ионизации, Атом эв эв O 2 5,17 O 13,6 N 2 9,77 N 14,5 Поверхностная ионизация (эмиссия электронов) осуществляется за счет: 1) бомбардировки поверхности катода положительными ионами вторичная электронная эмиссия (схема приведена на рис. 1.4 а); условие для выхода электрона с поверхности: m ион V 2 2 ион W вых, где m ион масса иона; V ион скорость иона; W вых энергия выхода электрона. 2) лучистой энергии, облучающей катод, ультрафиолетовый свет, рентген, излучения возбужденных атомов и молекул в объеме газа между электродами фотоэмиссия (схема приведена на рис. 1.4, б); при этом, условие для выхода электрона с поверхности: hν W вых, где h постоянная Планка; ν частота излучения фотона; W вых энергия выхода электрона. 3) нагрева поверхности катода термоэлектронная эмиссия (схема приведена на рис. 1.4, в); 4) энергии внешнего электрического поля автоэлектронная или холодная эмиссия (схема приведена на рис. 1.4, г) возможна при напряженности электрического поля более кв / см. Для реализации поверхностной ионизации необходимо, чтобы энергия воздействия была больше энергии выхода электрона из катода W вых. Энергия W вых ниже энергии объемной ионизации газа примерно в 2 раза и более и зависит от материала электрода. Для медных и стальных электродов в воздухе работа выхода составляет W вых = 4,5 эв (сравни с табл. 1.2). 13

14 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин Ион e Фотон e e E> кв/см e Катод Нагрев а) б) в) г) Рис Схемы поверхностной ионизации: а) ионизация ионом, б) ионизация квантом света, в) термоионизация, г) автоэлектронная ионизация 1.4. Лавина электронов Если в газе между двумя электродами, образующими однородное поле, появляется свободный электрон, то двигаясь к аноду при достаточной напряженности электрического поля он может ионизировать атом или молекулу газа при столкновении (рис. 1.3, а). В результате этого появляется новый (еще один) электрон и положительный ион. Этот электрон вместе с начальным ионизируют новые атомы и молекулы, и число свободных электронов непрерывно нарастает. Этот процесс получил название лавины электронов. 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. Другое название коэффициента ударной ионизации первый коэффициент Таунсенда. В процессе развития лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке. На рис. 1.5 приведено распределение напряженности электрического поля в промежутке при прохождении его лавиной электронов. Видно, что напряженность электрического поля на фронте лавины возрастает, в средней части, где находятся остающиеся положительные ионы, уменьшается, а вблизи катода вновь незначительно увеличивается. 14

15 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ E E л x E л E 2 1 S S Рис Искажение электрического поля в промежутке, создаваемое лавиной: 1 средняя напряженность без лавины; 2 результирующая напряженность Для описания лавинного процесса необходимо определить число электронов в лавине. Предположим, что из катода за счет внешнего ионизатора вырывается n 0 электронов (например n 0 = 1). На расстоянии x от катода число электронов возросло до n (рис. 1.6). Увеличение числа электронов dn на пути dx будет равно: или dn = n α dx, (1.11) dn n = α dx. (1.12) Интегрируя (1.12) по n от 1 до n и по x от 0 до x, получим: n x dn = α dx. (1.13) n 1 0 K A x dx Рис Схема определения числа электронов в лавине S 15

16 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин В однородном поле, где коэффициент ударной ионизации α = const, т. к. напряженность в любой точке промежутка одинакова, будем иметь: или lnn = α x, (1.14) x n = e α. (1.14а) Выражение (1.14) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам. Это явление характеризуется коэффициентом прилипания η. Коэффициент прилипания зависит от рода газа (электроотрицательный или электроположительный). Тогда число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно: ( α-η) x n = e. (1.15) Если n 0 больше 1, тогда (1.15) будет иметь вид: ( α-η) x n = n0 e. (1.16) Число электронов в лавине n > Условие самостоятельности разряда 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. То есть, 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. При самостоятельной форме разряда лавинный процесс возобновляется, поскольку сама первичная лавина (и последующие вторичные тоже) создает условие для возобновления процесса. Условия возобновления: 1) оставшееся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают эмиссию электронов из катода; 2) возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить как к фотоионизации в объеме промежутка, так и к фотоэмиссии электронов из ка- 16

17 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ тода. Образующиеся таким образом вторичные электроны приводят снова к образованию лавин в разрядном промежутке. Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине (1.15), исключая начальный электрон, т. е.: + ( α-η) S n = e 1. (1.17) И 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. Коэффициент γ зависит от материала катода, состава и давления газа и всегда γ 18 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин ции (в том числе и в воздухе). Бомбардировка катода положительными ионами эффективна при низких давления газа. Критерием перехода лавинного разряда в стримерный является критическое число электронов в лавине. Расчеты показывают, что при 7 9 числе электронов n кр лавина переходит в стример. Для накопления такого количества электронов лавина должна пройти определенное критическое расстояние x кр. Следовательно, с увеличением расстояния между электродами свыше x кр лавина неизбежно перейдет в стримерную форму развития разряда. Необходимо отметить, что x кр зависит от давления газа и его состава. Картина образования стримера приведена на рис Рис Механизм развития катодного стримера: 1 электродкатод, 2 канал стримера, 3 лавины, 4 движение фотонов, 5 электрон за счет фотоионизации 1.7. Закон Пашена Выполнение условия самостоятельности разряда (1.18) в однородном поле означает пробой всего промежутка, приняв η = 0 и приравняв (1.18) единице, получим: или α S ( 1) = 1 γ e (1.19) α S 1 e = 1+. (1.20) γ Прологарифмируем (1.20) и преобразуем относительно α : 1 ln 1 + = γ α. (1.21) S Экспериментально установлено: 18

19 B P 0 E Кафедра ТЭВН ЭЛТИ α = A Pe, (1.22) 0 где P давление газа; E напряженность электрического поля; A 0 коэффициент, зависящий от состава газа. 2 π r A0 =, kt где r радиус молекул; k постоянная Больцмана; Т температура в градусах Кельвина. В 0 коэффициент, зависящий от энергии ионизации газа, B 0 = A0U И, где U И потенциал ионизации газа. Приравняв выражения для α (1.21) и (1.22), получим: или B P 0 E 1 ln 1 + = A0 P S e. (1.23) γ Подставив в (1.23) U E = S B P S U 0 1 ln 1 + = A0 P S e γ B0P S e U, имеем A = 0 P S. (1.24) 1 ln 1 + γ Прологарифмируем (1.24), тогда: B0 P S A = 0 P S ln. (1.25) U 1 ln 1 + γ 19

20 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин Поскольку нас интересует напряжение, при котором произойдет пробой, приравняем U = U ПР. Тогда из (1.25): B = 0 P S U. (1.26) ПР A0 P S ln 1 ln 1 + γ Из (1.26) видно, что 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). Эту закономерность впервые экспериментально обнаружил Пашен. И выражение (1.26) называется законом Пашена. Графически эта закономерность представлена на рис U ПР, 50% кв ,5 0,2 0,1 0,1 0,5 PS мм рт.ст. см Рис Графическое отображение закона Пашена для воздуха 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 напряжения U ПР. С другой стороны, при давлениях меньших, чем соответствующее минимуму значения, 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. увеличивать U ПР. 20

21 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ 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: или где U ПР U ПР = f = f δ P S T ( S ), T P P δ = 0 = 0, 386, T P0 T T температура в градусах Кельвина. Тогда U ПР Д = UПР Р δ, где U ПР Д пробивное напряжение, приведенное к действительным условиям измерения; U ПР Р пробивное напряжение, полученное при расчете по формуле Пашена. Экспериментальная кривая Пашена отличается от расчетной как в области очень малых значений PS, так и в области очень больших. В области очень малых значений PS отличие объясняется приближением к вакуумному пробою, при котором основную роль играют процессы на поверхности электродов, а не в объеме газа. При больших значениях PS отличие объясняется увеличением напряженности электрического поля на микровыступах электродов и увеличением вероятности возникновения лавин, что снижает U ПР. 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 Разряд в неоднородных полях 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 — земля и многие другие реальные изоляционные промежутки. 21

22 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин На рис. 1.9 приведены зависимости напряженностей от расстояния между электродами типа стержень — плоскость. Основные закономерности развития разряда в любых резконеоднородных полях ( K H > 4 ) практически одинаковы. При некотором начальном напряжении Uн в промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т.к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение E Н, соответствующее возникнове- * нию самостоятельной формы разряда (рис. 1.9). 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. U E E * н Рис Зависимость напряженности электрического поля от расстояния между электродами типа стержень-плоскость: 1 E СР = f ( S) ; 2 E МАКС = f ( S) ; 3 E * H напряженность возникновения самостоятельной формы разряда При увеличении напряжения свыше S U H, когда количество электронов в лавине возрастает до , она переходит в плазменное состояние и в промежутке возникает стример у электрода с повышенной напряженностью поля. Если в однородном поле возникший стример пересекает весь межэлектродный промежуток, то в резконеодном поле в зависимости от величины напряжения стример, пройдя некоторое расстояние, может остановиться. При этом плазма его распадает- 22

23 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ ся, но вблизи острия возникают новые стримеры, которые также останавливаются и их плазма распадается. 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 Эффект полярности В слабонеравномерных полях, где минимальный и средний градиенты напряжения мало отличаются друг от друга, коронное и разрядное напряжения практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико. В сильнонеравномерном поле коронное напряжение намного ниже разрядного, полярность при несимметричных электродах существенно влияет на величину разрядного напряжения. В промежутке острие-плоскость формирование разряда зависит от полярности острия. 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 (рис. 1.10, а). Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина электронов справа от объемного заряда, электроны которой, смешиваясь с положительными 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 обеспечивает образование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера постепенно удлиняя его. Стример прорастает к катоду, вызывая пробой промежутка при сравнительно малой величине разрядного напряжения. 23

24 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин 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. 1.10, 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. Е Е E Е Е об Е Е об Е рез Е рез Е а) б) Рис 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 Вследствие большого числа начальных лавин у катода плазменный канал здесь представляет собой более или менее однородный слой с радиусом кривизны большим, чем у острия. Поэтому электрическое поле несколько выравнивается и напряженность во внешней области уменьшается. Уменьшение напряженности электрического поля во внешнем пространстве приводит к тому, что для дальнейшей ионизации в этой части промежутка необходимо значительно увеличить разность потенциалов между электродами. При дальнейшем увеличении напряжения происходит ионизация справа от плазменного слоя, большое число образующихся лавин приводит к удлинению стримера. Однако, так же, как и в начале, благо- 24

25 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ даря большому числу лавин головка стримера размыта, и возрастание напряженности на головке стримера оказывается гораздо меньшим, чем при положительном острие. В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрицательном острие происходит с большими трудностями, поэтому разрядное напряжение при отрицательной полярности острия больше, чем при положительной полярности (в 2 2,5 раза). На переменном напряжении пробой происходит всегда на положительной полярности. U пр, кв S, см 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. 1.12, 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 положи- 25

26 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин тельным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внешнем пространстве (рис. 1.12, 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. При расположении барьера в непосредственной близости от положительного острия роль его уменьшается вследствие резкой неравномерности распределения зарядов на барьере. Напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы ионизационные процессы проходили но другую сторону барьера. Барьер, расположенный в непосредственной близости от отрицательного острия, не способен задерживать быстрые электроны с острия, которые проходят сквозь барьер к плоскости. S 1 S 1 S S E E S S Рис 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 без барьера (рис. 1.13). 26

27 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ U пр S S опт Рис Влияние барьера на пробивное напряжение газового промежутка при положительной (1, 3) и отрицательной (2, 4) полярностях напряжения: 1,2 пробивное напряжение промежутка без барьера; 3, 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 Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции (вольт-секундная характеристика ВСХ) При кратковременных импульсах значение разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от продолжительности воздействия. Если к промежутку приложено напряжение достаточное для пробоя, то для развития и завершения разряда в промежутке необходимо определенное время t р называемое временем разряда (см. рис. 1.14). U U Н t о t c t ф t t р Рис Временная структура развития разряда на импульсном напряжении Развитие самостоятельного разряда начинается с появления в промежутке эффективного начальною электрона, что является случайным событием. Время ожидания эффективного электрона t c подверже- 27

28 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин но разбросу и называется поэтому статистическим временем запаздывания разряда. Это первая составляющая времени разряда. Другой составляющей, имеющей также статистический характер является время формирования разряда t ф, т.е. время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка. Время t c + tф = tз называют временем запаздывания развития разряда. При достаточно большой длительности фронта импульса имеет значение также время t 0, представляющее собой время подъема напряжения до значения U H. Таким образом, в общем случае время разряда определяется как: t = t + t + t. (1.27) р o c ф Составляющие времени разряда t c и t ф зависят от значения напряжения на промежутке. При увеличении напряжения повышается вероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станут эффективными, и t c уменьшается. Сокращается также и t ф, поскольку при большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов и скорость продвижения канала разряда в промежутке. Поэтому чем выше разрядное напряжение, тем меньше время разряда. Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называется вольт-секундной характеристикой изоляции. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависят от значения напряжения, вольт-секундные характеристики зависят от формы импульса. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных конструкций установлен стандартный грозовой импульс с длительностью фронта (возрастания напряжения) τ ф = 1, 2 ± 0, 4 мкс и длительностью импульса τ и = 50 ±10 мкс и обозначается 1,2/50 мкс (рис. 1.15). U макс 0,9 U 0,5 0,3 0 τ ф τ и t Рис Определение параметров импульса напряжения Для экспериментального определения вольт-секундной характеристики к исследуемому промежутку прикладываются импульсы 28

29 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ стандартной формы. При каждом значении максимального напряжения импульса производится серия опытов. В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная характеристика получается в виде области точек (рис. 1.16), для которой указываются средняя кривая и границы разброса времени разряда. U р t р Рис Построение вольт-секундной характеристики изоляции по опытным данным (грозовые импульсы): 1 импульс напряжения; 2 кривая средних значений пробивного напряжения; 3 границы разброса пробивных напряжений Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке. Для промежутков с однородным или слабонеоднородным полем, вольт-секундная характеристика слабо зависит от t р (рис. 1.17, кривая 1), и только при временах разряда порядка 1 мкс и меньше разрядное напряжение увеличивается. Связано это с тем, что разряд в таких промежутках формируется за весьма малое время при напряжении равном начальному значению и отсутствует корона. Отмеченные свойства вольт-секундной характеристики позволяют использовать промежуток между шаровыми электродами, создающими практически однородное поле, если расстояние между электродами меньше их радиуса, в качестве универсального прибора для измерения максимальных значений напряжения. Вольт-секундные характеристики промежутков с резконеоднородным полем (рис. 1.17, кривая 2) имеют достаточно большую крутизну, поскольку в таких промежутках время формирования разряда сильно зависит от значения приложенного напряжения. Для таких промежутков при грозовых импульсах характерны большие разрядные напряжения U P, чем при переменном напряжении промышленной частоты 50 Гц. Отношение 29

30 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин U K ИМП = P (1.28) U

называется коэффициентом импульса. U р t р Рис ВСХ защитных разрядников и изоляции: 1 ВСХ вентильного разрядника (однородное поле); 2 ВСХ трубчатого разрядника (резконеоднородное поле); 3 ВСХ защищаемого объекта; 4 импульс напряжения Промежутки с однородным и слабонеоднородным полями имеют коэффициент импульса K ИМП = 1 практически во всем диапазоне времен разряда. Вольт-секундные характеристики широко используются для координации изоляции высоковольтного оборудования, т. е. для защиты от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений. С этой целью параллельно защищаемому объекту включается воздушный разрядник (например, вентильный разрядник) с пологой ВСХ. Надежная защита будет обеспечиваться, если ВСХ разрядника (рис. 1.17, кривая 1) лежит ниже ВСХ защищаемого оборудования (кривая 3) во всем диапазоне времен воздействующего напряжения Коронный разряд 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 начального. Корона представляет интерес в связи с потерями энергии при коронировании ЛЭП. Например, на линиях сверхвысокого напряжения потери энергии при коронировании проводов ЛЭП в плохую погоду составляют квт на километр линии и более. Кроме этого, продукты ионизации воздуха разрушительно действуют на изоляцию и металлическую арматуру. Коронный разряд также является источником аку- 30

31 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ стического шума и высокочастотного электромагнитного излучения (спектр частот 0, МГц), которое создает помехи радио- и телеприему. При коронном разряде происходит ионизация воздуха и у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе. Под действием сил электрического поля ионы, составляющие объемный заряд, движутся от провода. Для их передвижения необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха значительно меньше. На постоянном напряжении различают униполярную и биполярную корону. Если коронирует один провод униполярная корона. При униполярной короне генерируемые короной заряды, имеющие тот же знак, что и коронирующий провод, под действием электрического поля устремляются к земле, где происходит их нейтрализация. При биполярной короне объемные заряды проводов различной полярности движутся навстречу друг другу. При встрече происходит рекомбинация ионов разных знаков. Часть ионов проникает в пространство вблизи противоположного провода, что приводит к усилению интенсивности коронирования. Это увеличивает потери на корону. На переменном напряжении коронный разряд зажигается при достижении начального напряжения, равного напряжению зажигания короныu н при времени t 1 (рис. 1.18, а). Вокруг провода образуется зона ионизации, называемая чехлом короны (рис. 1.18, в) Из чехла короны положительные заряды (как на рис. 1.18, в) выносятся в окружающее пространство и образуют внешний объемный заряд (ОЗ). Процесс коронирования продолжается до тex пор, пока напряжение не достигнет U макс при t 2. Несмотря на повышение напряжения до U макс, напряженность на проводе остается постоянной и равной E Н 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 t 2) в пространстве вокруг провода остается положительны внешний объемный заряд, который еще удаляется от провода (рис. 1.18, в). Расстояние, на которое удаляется объемный заряд, зависит от напряжения на проводе и составляет

см. Разность потенциалов между проводом и ОЗ увеличивается по мере уменьшения напряженности на проводе до времени t 3. При t 4 (рис. 1.18, а, в), когда напряжение достигает U 0, которое значительно меньше U н, зажигается отрицательная корона. При этом отрицательно заряженные частицы начинают двигаться от провода во внешнюю об- 31

32 В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин ласть, а навстречу (к проводу) движутся положительно заряженные частицы из внешнего объемного заряда. Происходит рекомбинация заряженных частиц до полной компенсации положительного внешнего ОЗ. Затем накапливается отрицательный ОЗ во внешней области. Все это происходит за время от t 4 до t 5 (рис. 1.18, а, в). В момент времени t 5 (начало уменьшения напряжения) отрицательная корона гаснет. В дальнейшем все эти циклы повторяются и зажигание короны на обеих полярностях происходит при U 0. U макс U U н U O t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t а) i C i k t t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 б) t 1 (t 6 ) t 2 (t 7 ) t 3 t 4 t 5 в) Рис Развитие короны при переменном напряжении 32

33 Кафедра ТЭВН ЭЛТИ Между проводом и землей имеет место емкость С, которая заряжается и разряжается с частотой переменного тока. При этом между проводом и землей протекает емкостной ток i C (рис. 1.18, б): du i C = C. (1.29) dt Возникновение коронного разряда в момент t 1 приводит к появлению тока короны i K, который накладывается на емкостный ток линии и искажает синусоиду тока (рис. 1.18, б). Длительность пиков тока короны равна длительности ее горения, т.е. от t 1 до t 2 (или t4 t5, t6 t 7 ). При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивное, чем при постоянном напряжении, и при прочих равных условиях потери энергии на корону существенно больше. На характеристики коронного, разряда начальное напряжение, потери энергии, радиопомехи, шум значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки резко снижают начальное напряжение возникновения короны Потери энергии при коронировании При проектировании ЛЭП пользуются расчетными зависимостями потерь энергии при коронировании. Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика для одиночного провода 24, 1 r 2 5 ( 25) 0 ( ) δ 10 P = f + U ф Uк, квт/км фаза (1.30) S где δ относительная плотность воздуха; f частота, Гц; r 0 радиус одиночного провода, см; S расстояние между проводами, см; U Ф действующее значение фазного напряжения, кв; U к напряжение возникновения короны, кв. U к S = 21,2 δ ln m1 m2, кв, (1.31) r где m 1 коэффициент гладкости провода; m 2 коэффициент погоды. 0 33

Источник