ВВЕДЕНИЕ. Подпись преподавателя ________/__________________________________________/Дата проверки «___» ______________ 201_ г. Подпись преподавателя ________/__________________________________________/ /должность, уч. степень, Ф.И.О./
Приложение Л Форма ведомости учета движения контрольных работ
Ведомость учета движения курсовых работ (курсовых проект) (наименование кафедры) по дисциплине______________________ (наименование дисциплины) группа_____________________________ (наименование группы)
Специалист кафедры _______________________/________________________/ (Подпись) (Ф.И.О.) [1] по решению кафедры Выдержки из учебных пособий к лабораторным работам (рабочий вариант) ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Челябинск Издательство ЮУрГУ АТМОСФЕРНЫЕ И КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Челябинск Издательство ЮУрГУ Авторы: М.Е. Гольдштейн, Ю.В. Коровин, А.В. Прокудин
ВВЕДЕНИЕ Изоляция электрических установок находится под постоянным воздействием рабочего напряжения, которое незначительно (на 5…15 %) может превышать номинальное напряжение и должно выдерживаться изоляцией в течение всего срока службы [1–4] (табл. В.1). Любое превышение напряжения над наибольшим рабочим принято называть перенапряжением. Отношение амплитуды перенапряжения к амплитуде наибольшего рабочего фазного напряжения называется кратностью перенапряжения Таблица В.1 Номинальные U ном, наибольшие рабочие U н.р напряжения электрических систем и допустимые кратности для коммутационных перенапряжений k доп [1, 3]
В зависимости от причины возникновения перенапряжения разделяют на атмосферные (грозовые) и внутренние. Первые появляются вследствие ударов молнии, а вторые – из-за различных коммутаций в электрических сетях. Подробный анализ условий появления, особенностей и характера развития, способов ограничения перенапряжений можно найти, например, в учебниках и учебных пособиях [1–6], а также во множестве других работ, посвящённых рассматриваемой теме. В настоящее время основным защитным аппаратом от кратковременных опасных для изоляции импульсов перенапряжений являются ОПН – ограничитель перенапряжения нелинейный. Ориентировочно можно полагать, что современные ОПН обеспечивают ограничение грозовых перенапряжений до (2–2,2) U ф. m и коммутационных – до 1,8 U ф. m [5, 7]. ЧАСТЬ 1. РАЗРЯДНЫЕ НАПРЯЖЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ (влияние формы электродов воздушного изоляционного промежутка на его пробивное напряжение.)
Газы и их смеси, в том числе и воздух, в обычных (нормальных) условиях не проводят электрический ток, так как состоят в основном из нейтральных частиц – атомов и молекул. Поэтому в конструкциях высоковольтного оборудования, ЛЭП и распределительных устройств, газы являются элементами изоляции. Газ становится электропроводным вследствие ионизации –процесса разделения атома или молекулы на электрон и положительный ион. Ионизация происходит, если атому сообщается энергия по величине достаточная, чтобы один из электронов отделился от атома и стал свободным. Минимальная величина такой энергии называется энергией ионизации. Для молекул основных компонентов атмосферного воздуха энергия ионизации составляет от 12,5 эВ (О2) до 15,8 эВ (N2). В результате ионизации в газе появляются свободные заряды – электроны и ионы, и ионизированный газ уже способен проводить электрический ток. Процесс протекания электрического тока в газе называется газовым разрядом. Рассмотрим развитие разряда в промежутке с газом между двумя электродами, к которым подключен регулируемый источник напряжения. Этим источником в промежутке создается внешнее электрическое поле, воздействующее на заряды. Заряды приобретают направленное движение, т. е. появляется электрический ток и возникает разряд. Но для этого в межэлектродном промежутке первоначально должен быть хотя бы один свободный электрон. Такой электрон, назовём его начальным, может образоваться за счёт внешнего ионизатора (ультрафиолетового излучения солнца, космического излучения и др.). Под воздействием приложенного к электродам напряжения в межэлектродном промежутке создаётся электрическое поле, в котором свободный электрон ускоряется и приобретает кинетическую энергию. Если при этом в какой-либо области газового промежутка напряжённость достаточна, чтобы до столкновения с атомом набранная электроном энергия оказалась не меньше энергии ионизации газа, то при столкновении с нейтральным атомом или молекулой электрон отдает им свою кинетическую энергию, и процесс столкновения завершается образованием нового свободного электрона и положительного иона. Этот процесс называется «ударная ионизация». После первого акта ионизации в межэлектродном промежутке появляется уже два свободных электрона, после второго – четыре, затем восемь и т. д. Такой поток увеличивающегося количества свободных электронов получил название лавина электронов. Силы электрического поля, действующие на электрон и положительный ион, противоположны по направлению, но одинаковы по величине. Так как масса электрона в 1860 раз меньше массы самого легкого иона, то ускорение электрона оказывается много больше. Кроме того, из-за малого размера электроны пролетают между атомами и молекулами, не сталкиваясь с ними, гораздо большее расстояние, чем ионы, т. е. длина свободного пробега электронов значительно превышает аналогичный показатель ионов. Говорят, что подвижность электронов существенно выше чем ионов. Это приводит к тому, что электроны в поле разгоняются и приобретают кинетическую энергию быстрей ионов, и поэтому именно электроны вызывают ударную ионизацию. При перемещении в электрическом поле между двумя электродами электроны, перемещающиеся к положительному электроду (при атмосферном давлении со скоростью порядка 2∙107 см/с). По мере продвижения электронов в геометрической прогрессии растет число ионизаций и следовательно число электронов – образуется лавина электронов. Электроны оказываются сосредоточенными в головке лавины, а положительные ионы, двигающиеся в противоположном направлении к отрицательному электроду примерно в сто раз медленнее, распределены по всей длине лавины. Прорастая от катода вглубь промежутка, лавина стремится достичь анода, создавая тем самым проводящий канал между электродами. Если при столкновении сообщаемая атому или молекуле дополнительная энергия недостаточна для ионизации, то один или несколько электронов могут перейти на более высокую от ядра орбиту. Этот процесс называется возбуждением, причём энергия возбуждения существенно меньше энергии ионизации. Среднее время пребывания частицы в возбуждённом состоянии составляет 10–10…10–8 с. При возвращении частиц в нормальное состояние высвобождается полученная ранее энергия. Приобретающие эту энергию фотоны в дальнейшем, отдавая ее атомам при столкновениях, также участвуют в формировании канала разряда. Распространение лавины сопровождается не только ударной ионизацией и возбуждением, но и рядом других процессов, называемых вторичной ионизацией: – высвобождением электронов с поверхности отрицательного электрода за счёт его бомбардировки положительными ионами; – фотоэмиссией электронов с поверхности отрицательного электрода за счёт облучениями ее фотонами из начальной лавины; – фотоионизацией в объёме газа фотонами, излучаемыми из лавины. Все эти процессы могут привести к образованию вблизи отрицательного электрода новых, так называемых вторичных электронов, способных создать свои лавины. В том случае, если ещё до завершения предшествующей (начальной) лавины у катода зародится хотя бы одна вторичная лавина и процесс таким образом будет продолжаться, электрический разряд станет самостоятельным, т. е. не зависящим от внешнего ионизатора. Минимальное значение напряжения, при котором газовый разряд переходит в самостоятельный, называется начальным напряжением U 0. При этом напряжении между электродами образуется канал высокой проводимости, заполненный свободными зарядами, что и приводит к полной потере электрической прочности промежутка. Рассмотренное явление принято называть электрическим пробоем газа. Лавинная теория разряда объясняет механизм начала образования проводящего канала и хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными при исследовании промежутков с небольшими межэлектродными расстояниями (до 2 см). При больших расстояниях совпадение теории и эксперимента нарушается. В частности, длительность формирования разряда до пробоя оказывается значительно меньше рассчитанной с применением только лавинной теории. Объяснение этому даёт стримерная теория разряда, суть которой состоит в следующем. По мере продвижения лавины к противоположному электроду в её головке накапливается всё больший сконцентрированный отрицательный заряд, создаваемый высвобождающимися за счёт ударной ионизации электронами. Этот заряд приводит к искажению поля в области лавины – поле усиливается перед головкой и ослабляется за ней. Когда концентрация заряда в головке достигает критической величины (при которой поле, созданное зарядом электронов лавины, оказывается близким к внешнему полю), лавина приобретает способность излучать фотоны, энергии которых достаточно для образования новых свободных электронов. Эти, так называемые фотоэлектроны, находясь на некотором расстоянии перед фронтом лавины в поле, усиленном начальной лавиной, способны образовывать новые лавины, развивающиеся в глубь промежутка. При этом участок между начальной и вторичной лавинами заполнятся электронами, поступающими от начальной лавины, и положительными ионами вторичной лавины. В результате образуется проводящий плазменный канал. Стадию разряда, на которой возможна фотоионизация за счёт излучения из самой лавины и образование плазменного канала высокой проводимости, называют стримерной, а сам канал – стримером. Поскольку стример обладает высокой проводимостью, то его конец имеет потенциал электрода от которого он развивается и избыточный заряд. Это обеспечивает местное усиление поля перед стримером, способствующее его дальнейшему прорастанию к противоположному электроду. Образование стримера предполагает, что в межэлектродном промежутке одновременно развиваются несколько лавин, смещённых друг относительно друга на некоторые расстояния в направлении противоположного электрода. Поэтому стримерная теория, в отличие от лавинной, объясняет более быстрое развитие пробоя, что соответствует экспериментальным данным. Формирование канала разряда зависит от характера поля в межэлектродном промежутке. В однородном и слабонеоднородном поле напряжённость практически одинакова во всех точках промежутка. Поэтому, если ионизация началась, то она достаточно быстро распространяется от одного электрода до другого, и начальное напряжение равно разрядному. В резконеоднородных полях (например, в промежутках типа «стержень – плоскость» и «стержень – стержень») напряжённость электрического поля вдоль промежутка существенно различается. Наибольшие значения она имеет около электродов с малым радиусом кривизны. В таких полях при выполнении условия самостоятельности возникает особая форма разряда – коронный разряд. При коронном разряде ионизация происходит лишь в узкой зоне вблизи электрода, где напряжённость поля превышает некую критическую величину. Коронный разряд сопровождается свечением газа у коронирующего электрода. Возникновение коронного разряда не означает полного пробоя промежутка. Для пробоя необходимо, чтобы и в других областях промежутка напряженность поля была достаточной для ионизации. Для этого требуется увеличить напряжение на нем. Таким образом, в условиях резконеоднородного поля начальное напряжение соответствует условию возникновения коронного разряда и оказывается существенно меньшим, чем напряжение пробоя. У промежутков с несимметричным резконеоднородным электрическим полем (например, «стержень – плоскость») наблюдается эффект полярности, который заключается в том, что величина разрядного напряжения в сильной степени зависит от полярности приложенного к электродам напряжения. Причиной эффекта полярности является искажение первоначального электрического поля положительными зарядами, накапливаемыми вблизи стержня в процессе ионизации (рис. 1.1). Действительно, при любой полярности стержня относительно противоположного электрода (плоскости) плотность зарядов на его поверхности, а следовательно и напряженность поля, будет выше вблизи стержня. Поэтому здесь при повышении напряжения между электродами и начнётся ударная ионизация. Свободные электроны, образующиеся вследствие ионизации и обладающие высокой подвижностью, будут покидать эту зону, перемещаясь к аноду. Положительные малоподвижные ионы, напротив, будут концентрироваться вблизи стержня, создавая объёмный положительный заряд. Электрическое поле этого заряда, накладываясь на внешнее поле от источника, искажает его по-разному, в зависимости от полярности стержня. Так, при отрицательной полярности стержня положительный объёмный заряд усиливает поле вблизи стержня, но ослабляет (и без того малую) напряженность поля в глубине разрядного промежутка (рис. 1.1, б). Электроны, перемещаясь к плоскости, попадают в более слабое электрическое поле, где их скорость падает. Поэтому при столкновении электронов с нейтральными частицами становится возможным образование отрицательных ионов. Однако объёмный отрицательный заряд оказывается менее сконцентрированным, чем положительный, и, следовательно, его влияние незначительно и в первом приближении может не учитываться. Наблюдаемое искажение электрического поля объёмными зарядами вызывает усиление коронного разряда в тонком слое воздуха вблизи стержня, но затрудняет развитие полного пробоя промежутка.
Рис. 1.1. Кривые изменения напряженности электрического поля вдоль промежутка при положительной (а) и отрицательной (б) полярностях стержня: Если же стержень имеет положительную полярность, то возникающий в начальной стадии разряда положительный объёмный заряд ослабляет напряжённость поля вблизи стержня и, наоборот, усиливает напряжённость поля в точках, удалённых от стержня. Это приводит к тому, что при дальнейшем повышении напряжения ионизация области между объемным зарядом и плоскостью облегчается, хотя ионизация вблизи стержня (где внешнее поле наиболее сильное) несколько ослабляется и возникновение короны затрудняется. Поэтому в целом формирование канала разряда облегчается и пробой промежутка происходит при меньшем напряжении. Таким образом, при положительной полярности стержня объемный заряд способствует развитию пробоя, а при отрицательной – препятствует. В результате разрядное напряжение промежутка с положительным стержнем оказывается значительно меньше (примерно в два раза), чем при отрицательной полярности стержня. Эффект полярности проявляется в большей степени в резконеоднородных несимметричных электрических полях при больших расстояниях между электродами. Поскольку время накопления объемного заряда при ионизации значительно меньше длительности полупериода переменного напряжения промышленной частоты, то, из-за эффекта полярности, прочность промежутка «стержень – плоскость» в полупериод положительного потенциала на стержне оказывается существенно ниже, чем в полупериод отрицательного потенциала. В силу этого при плавном подъёме напряжения разряд произойдет при положительной полярности стержня. Для увеличения разрядных напряжений промежутков с резконеоднородными полями в них вносят диэлектрический барьер. В качестве барьера может быть использован тонкий листовой диэлектрик, обладающий малой электрической прочностью и располагаемый в воздухе на пути формирования пробоя. Положительный эффект от применения барьера связан с выравниванием поля в межэлектродном промежутке, ослаблением поля около стержня, а не за счёт усиления воздушной изоляции твёрдым диэлектриком. При установке барьера эффект полярности практически не проявляется. Для обеих полярностей стержня разрядные напряжения оказываются близкими друг к другу. Характерные зависимости разрядного напряжения промежутка «стержень – плоскость» с барьером при разной полярности стержня приведены на рис. 1.2. Здесь пунктирная линия соответствует разрядному напряжению при отсутствии барьера. Рассмотрим более подробно влияние барьера на развитие разряда. При формировании пробоя ударная ионизация начинается около стержня, где напряжённость электрического поля наибольшая. Образующиеся свободные электроны в случае положительной полярности стержня будут уходить к нему из зоны ионизации, а положительные ионы воздуха, стремясь к отрицательней плоскости, станут осаждаться на барьере. Эти ионы, отталкиваясь друг от друга, растекаются по барьеру, заряжая его почти равномерно. Барьер разделяет изоляционный промежуток на две части. В первой части, между стержнем и барьером, поле остаётся резконеоднородным, а во второй, между барьером и плоскостью, поле становится близким к однородному. При этом, напряженность поля на участке «барьер – плоскость» возрастает, но распределяется более равномерно. Последнее и приводит к значительному увеличению электрической прочности всего пробиваемого промежутка (см. рис. 1.2, а). Поскольку повышенная прочность достигается за счёт выравнивания поля между барьером и плоскостью, то барьер желательно помещать ближе к стержню.
Рис. 1.2. Зависимости разрядного напряжения промежутка «стержень –плоскость» от места расположения барьера при положительной (а) и отрицательной (б) полярностях стержня Однако, непосредственно около острия барьер помещать нецелесообразно, так как, во-первых, он может быть преждевременно разрушен (пробит), находясь в зоне сильного электрического поля, вызывающего интенсивную ионизацию (кинетическая энергия ионов здесь велика и они, бомбардируя барьер, способны разрушить его, а при легко воспламеняемом материале возможно возгорание). Во-вторых, из-за сильного электрического поля ионизационные процессы в этом случае будут развиваться и справа от барьера. Следовательно, часть положительных ионов не будет задерживаться и распределять на нём. Поэтому выравнивающий эффект барьера ослабнет. Наибольшая прочность достигается, если барьер удален от стержня на расстоянии, примерно равном одной четверти промежутка. При отрицательной полярности стержня образовавшиеся в зоне ионизации свободные электроны, перемещаясь к положительной плоскости, встречают на пути барьер, где теряют скорость. Поэтому большинство из них, сталкиваясь с нейтральными частицами, создают отрицательные ионы, которые создают на барьере и распределяются по его поверхности. В результате поле между отрицательно заряженным барьером и положительной плоскостью выравнивается. Одновременно наблюдается усиление поля на этом участке, так как при отсутствии барьера отрицательный заряд был рассеян по всему промежутку и имел незначительное влияние. Так же как и при положительном стержне, наибольший эффект достигается, если барьер располагать на удалении от стержня, примерно равном четверти межэлектродного расстояния (см. рис. 1.2, б). При этом электрическая прочность всего промежутка определяется главным образом прочностью участка между барьером и плоскостью, где поле оказывается близким к однородному. Удаление барьера от стержня обеспечивает большую концентрацию отрицательного заряда на нём и, следовательно, усиление поля в промежутке «барьер – плоскость». Это приводит к снижению разрядного напряжения до величин даже меньших, чем при отсутствии барьера. Если размещать барьер около плоскости, то его влияние снижается, так как уменьшается доля участка «барьер – плоскость» в общем промежутке. Последнее ведёт к увеличению разрядного напряжения. У промежутков «стержень – стержень» при прочих равных условиях разрядные напряжения оказываются выше, чем у промежутков «стержень – плоскость» при положительной полярности стержня, но ниже, чем при отрицательной полярности стержня. Первое соотношение объясняется большей емкостью системы электродов «стержень – плоскость», а следовательно, и большей напряженностью на поверхности острия при одинаковом приложенном напряжении. Второе соотношение является следствием образования объемных положительных зарядов у обоих стержней. В резконеоднородном поле на величину разрядного напряжения большое влияние оказывает влажность воздуха, тогда как в слабонеоднородных и однородных полях это влияние практически отсутствует. Увеличение влажности воздуха приводит к некоторому росту разрядных напряжений, так как молекулы воды, являясь электроотрицательными, имеют способность образовывать устойчивые отрицательные ионы при столкновении со свободными электронами. В результате число последних в межэлектродном промежутке уменьшается, а развитие ионизационных процессов и формирование канала разряда несколько затрудняется. К электроотрицательным газам, способным устойчиво связывать свободные электроны, относятся также фтор, хлор, йод, кислород и их соединения. По этой причине элегаз (шестифтористая сера SF6) обладает примерно в 2,5 раза большей электрической прочностью по сравнению с воздухом. К тому же, имея высокую теплопроводность и являясь хорошей дугогасящей средой (ток отключения в элегазе примерно в 10 раз больше, чем в воздухе) с высокой скоростью восстановления электрической прочности после погасания дуги (почти на порядок выше, чем в воздухе), элегазовая изоляция широко используется в электроустановках высокого напряжения (выключатели, комплектные распределительные устройства - КРУЭ, силовые кабели и т. п.). В заключении отметим, что оценка величины разрядных напряжений в резконеоднородном поле при больших расстояниях между электродами с учётом разных факторов имеет большое практическое значение. Так, по разрядным напряжениям выбираются минимально допустимые расстояния между проводами разных фаз, между проводами и заземлёнными тросами или опорами. Изоляционные расстояния определяют и шаг ячеек открытых и закрытых распределительных устройств.
Вопросы для самоподготовки 1. В чём различие между несамостоятельным и самостоятельным электрическим разрядом? В чем состоит физический смысл условия существования самостоятельного разряда? Назовите виды самостоятельных разрядов в газе и дайте им краткую характеристику. 2. Что такое начальное напряжение и начальная напряжённость электрического поля, от каких факторов они зависят? Как и почему отличаются начальные напряжения и напряжения пробоя для разрядных промежутков с однородным и резконеоднородным полем? 3. Что такое лавина электронов? Как она формируется? Влияет ли образование лавины на характер поля в межэлектродном промежутке? 4. Каковы основные стадии формирования самостоятельного разряда в газе? Что такое стример и лидер? Поясните механизмы их формирования. 5. Что показывает закон Пашена? Объясните характер кривых Пашена. 6. Каковы особенности формирования разряда в резконеоднородном поле? 7. Как и почему влияет полярность электродов промежутка «стержень – плоскость» на величину разрядного напряжения? 8. Как объяснить влияние барьера на электрическую прочность промежутка «стержень – плоскость»? Как зависит разрядное напряжение промежутка от расстояния между барьером и электродами? Зависит ли разрядное напряжение промежутков «стержень – плоскость» с барьером от полярности электродов при различных местах расположения барьера? 9. За счёт каких свойств элегазовая изоляция эффективнейвоздушной?
|
. Чем выше номинальное напряжение сети, тем меньше допустимая кратность перенапряжения. Это связано с тем, что с ростом k п увеличивается доля стоимости изоляции в общей стоимости оборудования. Поэтому по экономическим соображениям необходимо стремиться к снижению допустимого уровня перенапряжений.
– напряженность внешнего поля; 
– напряженность поля от положительного объёмного заряда; 
– напряженность поля от отрицательного объёмного заряда; E р – напряженность результирующего поля
