ESVT_IETOp (1)

ЭСВТ ЭЛТИ

диэлектрическая проницаемость (ε 1,0), проводимость (γ 10-17 -

10-18 См см-1).

В однородном электрическом поле при небольших межэлектродных зазорах (1-2 см) электрическая прочность воздуха не превышает

30 кВ/см.

На электрическую прочность воздуха оказывает влияние давление Р, температура Т и абсолютная влажность воздуха γ.

Для возможности сравнения результатов, полученных в

различных условиях, приводят эти данные к нормальным условиям

(t = 20 °C; P = 760 мм рт.ст.; γ = 11 г/м3).

При условиях, отличающихся от нормальных, относительная плотность газа δ при давлении Р и температуре Т вычисляется по формуле

	δ = 0,386	P	= 0,386	P	,	(2-1)
		T		273 + t

где Р - давление воздуха, мм рт.ст.; Т-температура воздуха, °К; t - температура воздуха, °С.

Процесс кратковременной потери газом (воздухом) изоляционных свойств под действием приложенного к газовому промежутку напряжения называется электрическим пробоем.

В обобщенном виде формула для определения пробивного напряжения воздуха Uпр в равномерном поле в зависимости от расстояния S и относительной плотности δ имеет вид

Unp = 23,85δ S +7,85 δ S , кВ

(2-2)

Формула (2-2) справедлива при S ≤ 16 см и δ = 0,8 ÷ 1,1.

Для удобства расчетов А.Горев и Л.Машкилейсон предложили формулу для определения вольт-секундной характеристики воздушного промежутка

Unp( t ) = Unp min 1 +	T ,	(2-3)
	t р

где Uпр min-минимальное пробивное напряжение промежутка, соответствующее максимальному времени разряда. Практически это напряжение соответствует U50% промежутка; Т-параметр,

зависящий от свойств промежутка; t p -время разряда, мкс.

ЭСВТ ЭЛТИ

При атмосферных условиях, отличающихся от нормальных, пробивное напряжение воздуха в равномерном и слабонеравномерном поле может быть определено по формуле

Unp = Uпр0 δ ,

(2-4)

гдеUnp0 -пробивное напряжение воздуха при нормальных условиях

(δ = 1,0).

Для практических расчетов Uпр при переменном напряжении 50 Гц между сферическими электродами “шар-шар” радиусом r предложена эмпирическая формула

	Unp =	Eпр S				,	кВмах				(2-5)
			f
где	Enp = 27,2δ( 1 +						0,54 )		,	кВмах / см	(2-6)
							r δ
S-кратчайшее расстояние между сферами, см.
Геометрический фактор
f	S		+ 1			(	S	+1)2			(2-7)
	= 0,25			+			r		+	8
	r

учитывает снижение Uпр из-за неравномерности поля.

С погрешностью порядка 10 % формула (2-5) справедлива при

0,54 r < S ≤ 2r . Очень часто пробивное напряжение воздушного промежутка между сферическими электродами определяют по таблицам, разработанным Международной Электротехнической Комиссией (МЭК).

Пробивное напряжение воздуха для коаксиальных электродов при переменном напряжении 50 Гц

	Unp = Enp r ln		R	, кВмах	(2-8)
			r
где	Епр= 31 δ( 1 +	0,30 δ ) , кВмах / см			(2-9)
			r δ

Формула (2-8) применима при R/r ≤ 10.

Для параллельных цилиндров радиусом r и расстоянием между цилиндрами S (при S/r ≤ 30) пробивное напряжение воздуха при частоте 50 Гц

	Unp = 2Enp r ln	S	, кВмах	(2-10)
		r

ЭСВТ ЭЛТИ

где	Enp = 30 δ( 1 +	0,301 ) , кВмах / см.	(2-11)
		r δ

Пробивное напряжение воздуха в резконеоднородном поле зависит от относительной плотности воздуха δ и влажности

	Unp =Unp0	δ	,	(2-12)
		K

где К - поправочный коэффициент на влажность воздуха, который определяется по номограмме с учетом показаний психрометра.

При расчете пробивных напряжений воздуха между стержневыми электродами пользуются эмпирическими формулами. На переменном напряжении промышленной частоты для электродов “острие-острие” (симметричное напряжение) при S ≥ 8 см

Unp = ( 14 + 3,36S ) δ	,	кВ	(2-13)
“острие-острие заземленное”
Uпр= ( 14 + 3,16S ) δ	,	кВ	(2-14)
“острие-плоскость”
Unp = (7 + 3,36S ) δ	,	кВ.	(2-15)

При 30 < S ≤ 200 см, Р = 760 мм рт.ст. и t = 20°С при симметричном включении электродов ”острие-острие” на переменном напряжении

Unp = 15 + 3,8S ,	кВ		(2-16)
и при одном заземленном острие
Unp = 15 + 3,6S	,	кВ.	(2-17)
На импульсах положительной полярности
Unp+ = 75 + 5,56S		, кВмах.	(2-18)
На импульсах отрицательной полярности
Unp− = 110 + 6S	,	кВмах.	(2-19)

При переменном напряжении для электродов “острие - плоскость заземленная” при 1< S ≤ 9 м

Uпр= ( 1,623 S − 1,1) 10 3	, кВмах	(2-20)
а для промежутка “острие-острие заземленное” при 1< S ≤ 4,5 м
Unp = ( 1,45 S − 0,93 ) 103	, кВмах.	(2-21)
Для промежутка “провод - провод” разрядные напряжения при
1 < S ≤ 4,75 м могут быть рассчитаны по формуле
Unp = (0,21 + 0,35S ) 10 3	, кВмах.	(2-22)

ЭСВТ ЭЛТИ

Вольт-секундная характеристика промежутка “стержень-стержень” при стандартной положительной волне описывается уравнением

(100< S ≤ 300 см)

Unp( t ) = 4,95S( 1 +	2,34	) , кВмах	(2-23)
	t р

где t р - разрядное время, мкс;

S - расстояние между электродами, см.

Пробивное напряжение промежутков с высокопрочными газами определяется из выражения

UnpГ = А UnpB ,

(2-24)

где UnpB - пробивное напряжение воздуха при заданных условиях; А - коэффициент относительной электрической прочности. Рабочее напряжение воздушной изоляции

	U раб =	Unp	,	(2-25)
		Кзап

где Кзап - коэффициент запаса электрической прочности воздуха. В зависимости от требований, предъявляемых к изоляции, коэффициент может принимать значения от 1,1 до 6,0 и выше.

При измерении пробивного напряжения промежутка наблюдается, как известно, разброс значений, обусловленный действием разнообразных факторов. Поэтому принято считать, что пробивное напряжение промежутка - величина статистическая.

Среднее значение Uпр промежутка из N пробоев

				N
				∑Uпрi
			пр=	i=	1	, кВ
		U					(2-26)
					N

где Unpi - пробивное напряжение промежутка при i -м опыте. Разброс отдельных значений относительно Uпрi характеризуется среднеквадратичным отклонением

		∑(Unpi		−
	σ =			−Unp)2	, кВ.	(2-27)
		N	− 1

Коэффициент вариации

ЭСВТ ЭЛТИ
γ =	σ	100, %	(2-28)
	−
U np

Вероятность пробоя промежутка в диапазоне воздействующих

напряжений от UК до UК+1		будет
Pк =		nк	,	(2-29)
		N

где nк - число зарегистрированных пробоев в рассматриваемом интервале.

При математической обработке отдельные значения

−	−
пробивных напряжений Uпрi <U пр- 3σ и	Uпрi > U пр + 3σ
считаются “промахами” и не учитываются.

Вероятность разряда хотя бы в одном из n параллельно включенных промежутков определяется по формуле

Pn(U ) = 1 − [1 − P1 (U )]n,

(2-30)

где Р1(U) - вероятность пробоя единичного промежутка.

Пробой по поверхности раздела двух сред называется перекрытием, а напряжение, в котором происходит этот разряд, называется напряжением перекрытия (Uпер). Если граница раздела двух сред не расположена нормально к силовым линиям электрического поля, то вектор напряженности электрического поля испытывает при

переходе в смежную среду преломление. При этом отношение угла падения α1 к углу преломления α2 равно отношению диэлектрических проницаемостей изолирующих сред. Тангенциальные составляющие преломляющегося и преломленного векторов равны между собой Еτ 1 = Еτ 2 , а нормальные составляющие подчиняются соотношению

EN 1	=	ε2	=	tqα2	.	(2-31)
EN 2		ε1
				tqα1

Изменяя форму поверхности изолятора, можно выровнять электрическое поле, изменить траекторию разряда и повысить разрядное напряжение конструкции.

Наиболее опасными для изоляционной конструкции бывают скользящие разряды, являющиеся предвестниками перекрытия.

ЭСВТ ЭЛТИ

Теплер предложил эмпирическую формулу для определения напряжения скользящих разрядов при 50 Гц от величины удельной

поверхностной емкости ( Суд)

Uск =	13,5 10−5							, кВ		(2-32)
		С	0,45
			уд
при Суд > 0,25 10−12		, Ф / см2 .
Для плоского диэлектрика
Суд =		ε0ε	,			Ф / см			2	(2-33)
		d
Для цилиндра		ε0ε
Суд =						, Ф / см2 .				(2-34)
		R
		R ln
				r

Длину скользящих разрядов можно определить из формулы Теплера

l	= К С	уд	2 U5 4 dU	, см	(2-35)
ск			dt

где К -постоянная, зависящая от рода напряжения и полярности импульсов. На импульсах положительной полярности К = 39 1015 ,а при отрицательной полярности импульсов К = 33 1015;

U -приложенное напряжение, кВмах;

dU

dt - скорость изменения напряжения, кВмах/мкс.

Напряжение перекрытия изолятора при сухой и чистой поверхности называется сухоразрядным напряжением (Uсхр).

Для опорных и подвесных фарфоровых изоляторов Uсхр определится из формулы

Uсхр= 20 + 3,35lсхр , кВмах

(2-36)

приlсхр= 20 ÷ 200 см.

Для импульсной стандартной волны 50% - ное напряжение

Uсхр+ = 60 + 5,2lсхр	,	кВмах,	(2-37)
Uсхр− = 150 + 6,5lсхр	,	кВмах.	(2-38)
При импульсном напряжении		разряд	имеет тенденцию
“прилипать” к поверхности изолятора, что			свидетельствует о

ЭСВТ ЭЛТИ

целесообразности изготовления ребер на изоляторах для увеличения

Uпер.

Перспективным является применение коаксиальных кабелей со сжатым газом или жидким диэлектриком (рис.2-1) как в силовой электроэнергетике, так и в технике физического эксперимента. Опытные данные по перекрытию центрирующих изоляторов в коаксиальных системах показывают, что разрядное напряжение имеет максимальное значение при D/d = 2,8 - 3,5.

При равенстве диэлектрических проницаемостей материала твердого диэлектрика ( εv ) и изоляционной среды (εm ) , т.е. когда εv εm , наибольшее Uпер имеют изоляторы вогнутой формы типа “желоб” (рис.2-1), т.к. при такой форме происходит значительное выравнивание поля и разряд “вынужден” идти по кратчайшему расстоянию между кромками изолятора, т.е. по изоляционной среде. Если εv и εm отличаются существенно, то наиболее оптимальной формой изолятора является изолятор типа “шайба” (рис.2-1), т.к. он производит наименьшее искажение поля. Напряжение перекрытия по чистой и увлажненной поверхности изолятора называется мокроразрядным напряжением (Uмр).

При напряжении промышленной частоты и силе дождя 5 мм/мин минимальное мокроразрядное напряжение можно определить по формуле ( lсхр- в см )

Uмр=2,15 lсхр	,	кВ.	(2-39)
На импульсах положительной полярности
Uмр+=5,15 lсхр	,	кВмах	(2-40)

ЭСВТ ЭЛТИ

Рис.2-1. Коаксиальный кабель: 1-токоведущая труба; 2-наружная труба; 3-центрирующие изоляторы типа «шайба» (а) и типа «желоб» (б); 4-изоляционная среда (газ или трансформаторное масло)

Число ребер в изоляторе выбирается по формуле

n= 1,5+0,065Uн , шт (2-41)

где Uн - номинальное напряжение изолятора, кВ.

Ребро должно иметь капельницу (рис.2-2), чтобы вода не смачивала его нижнюю поверхность и не сокращала сухие участки поверхности изолятора. Обычно изолятор конструируют таким

а

образом, чтобы l ≈ 0,5 (а - вылет ребра; l - расстояние между

ребрами).

Количество изоляторов в поддерживающей гирлянде на металлических и железобетонных опорах

n =	λэф К U раб	л , шт
			(2-42)
	L

где λэф-удельная эффективная длина пути утечки, которая зависит

от номинального напряжения и режима нейтрали ЛЭП, степени загрязненности атмосферы (см. табл.П.12), см/кВ;

ЭСВТ ЭЛТИ
К- коэффициент эффективности
использования длины пути утечки (см.
табл.П.13);
U рабл - наибольшее рабочее линейное
напряжение, кВ;
L - длина пути утечки изолятора, см.
На деревянных опорах число
элементов в гирлянде берется на один
меньше.
Число изоляторов, устанавлива-емых в
натяжных гирляндах
Рис.2-2.	Профиль	ребра

m = n + a ,	шт	(2-43)
где а- число дополнительных изоляторов.
Для Uн =110-150 кВ		а=1; для Uн = 220-330 кВ а=2; для
Uн = 500 кВ	а=3 и для Uн = 750 кВ а=4.

Напряжение перекрытия вдоль загрязненной и увлажненной поверхности изолятора называется влагоразрядным напряжением

(Uвр).

Ток утечки вдоль поверхности изолятора, при котором происходит перекрытие, называется критическим током

−	1
Iк р= ( А π γ п Dэ)1+n , А		(2-44)

где γ− п- удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения,

См;

Dэ- эквивалентный диаметр изолятора, см.

Постоянные: А = 100; n = 0,7.

Сопротивление поверхностного слоя

R =	Кф	, Ом	(2-45)
	−
	γ п

где Кф - коэффициент формы изолятора ( Кф 0,7 - 1,1).

Средняя влагоразрядная напряженность по длине пути утечки изолятора

	ЕврL =	Uвр	, кВ / см	(2-46)
		L

где L - длина пути утечки изолятора, см

ЭСВТ ЭЛТИ

Средняя влагоразрядная напряженность по строительной высоте изолятора

ЕврН =	Uвр	, кВ / см	(2-47)
	Н
где Н - строительная высота изолятора.
Напряжение перекрытия изоляторов при промышленной
частоте и условиях, отличающихся от нормальных
Uперδ ~=(0,14 + 0,86δ)U1, кВ			(2-48)

где U1 - напряжение перекрытия изолятора при δ = 1,0. Зависимость 50% - го импульсного напряжения перекрытия

(при t ≥ 1 мкс) от относительной плотности воздуха выражается формулой

Uпер= (0,3 + 0,7δ )U1 , кВ

(2-49)

где U1 - импульсное разрядное напряжение при δ =1,0. Принято приводить разрядное напряжение к абсолютной

влажности, равной 11 г/м3 при 20° С, что соответствует W = 63,5 %

	U11	=		Uγ		,	кВ	(2-50)
			1	+ K(γ	− 11)

где Uγ - разрядное напряжение при влажности γ; К - поправочный коэффициент, определяемый из номограмм и графиков К = f(γ).

2.2.Вопросы для самопроверки

1.Какое влияние оказывает давление Р, температура Т и влажность воздуха на его пробивное напряжение?

2.Чем объяснить снижение электрической прочности газового промежутка при заземлении одного из электродов?

3.Что такое коэффициент импульсной прочности промежутка?

4.Что такое вольт-секундная характеристика промежутка?

5.Перечислить наиболее эффективные меры для упрочнения газового промежутка.

6.Объяснить “эффект полярности” при пробое воздушных промежутков с резконеоднородным полем.

7.Что такое “барьерный эффект”?

8.Перечислить положительные и отрицательные качества коронного разряда.