техника_высоких_напряжений

	Результаты расчётов и измерений				Таблица 2.2
S, см
Sш, см	U0,5н, кВ	U0,5, кВ	Sш, см	U0,5н, кВ	U0,5, кВ
		Контрольные вопросы

1.Почему разрядное напряжение для электродов «шар – шар» выше, чем для электродов «остриё – плоскость»?

2.Как объяснить влияние полярности на разрядное напряжение промежутка «остриё – плоскость»?

3.Почему эффект полярности при импульсных напряжениях проявляется слабей?

4.Как объяснить влияние барьера на разрядное напряжение «остриё – плоскость»?

5.Почему разрядное напряжение зависит от места установки барьера?

Литература

1.Базуткин В. В. и др. Техника высоких напряжений / В. В. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – § 5–2, § 9–3.

2.Техника высоких напряжений / Под ред. Д. В. Разевига. – М.: Энер-

гия, 1976. – § 2–8, § 9–5.

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ

ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА

Цель работы: изучить закономерности развития разряда вдоль поверхности диэлектрика и способы увеличения разрядного напряжения.

Общие сведения

Явления поверхностного разряда исследуются для того, чтобы оценить напряжение, при котором изоляция установки будет работать без перекрытия по поверхности. Напряжение поверхностного разряда у изоляторов всегда ниже напряжения пробоя. Величина напряжения поверхностного разряда определяется длиной разрядного пути, состоянием поверхности диэлектрика и его свойствами, атмосферными условиями, а также конфигурацией электрического поля. При повышении приложенного напряжения наблюдается несколько стадий развития поверхностного разряда:

а) коронный разряд у краев электродов, определяющийся прочностными и диэлектрическими характеристиками Е, , и формой электродов;

б) скользящий разряд, возникающий вследствие термической ионизации; в) полное перекрытие, переходящее в дуговой разряд по поверхности при

достаточной мощности источника питания.

С точки зрения конфигурации электрического поля практический интерес представляют два случая расположения диэлектрика в электрическом поле:

1.Тангенциальная составляющая напряженности электрического поля Еtg

,направленная вдоль поверхности диэлектрика, преобладает над нормальной составляющей (рис. 3.1,а).

Этот случай характеров для опорных изоляторов.

Рис.3.1. Электрическое поле опорного изолятора без экрана (а) и при наличии внутреннего экрана (б)

22

Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно соединен с заземленными конструкциями, имеющими значительные размеры. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается, и разряд начинается с верхнего (высоковольтного) электрода. Уменьшить напряженность поля вблизи высоковольтного электрода можно с помощью внутреннего экрана Э (рис. 3.1,б). Часть силовых линий напряженности поля замыкается на экран, что уменьшает напряженность у поверхности диэлектрика рядом с верхним электродом. Это позволяет существенно увеличить разрядное напряжение изолятора. Слишком большая глубина погружения экрана может снижать разрядное напряжение за счет увеличения напряженности поля у фланца. Кроме применения внутреннего экрана, разрядное напряжение опорных изоляторов можно повысить, увеличив длину пути разряда с помощью ребер.

2. Нормальная составляющая электрического поля Ен практически на всей поверхности преобладает над тангенциальной составляющей (рис. 3.2). Такой случай характерен для проходных изоляторов. Рассмотрев емкостную схему замещения диэлектрика, состоящую из взаимных емкостей единицы поверхности диэлектрика К0 и емкостей единицы поверхности диэлектрика относительно электрода 2 С0, видно, что наибольший ёмкостный ток протекает через емкость К0 , близлежащую к электроду 1.

Рис. 3.2. Электрическое поле и график распределения напряжения и напряженности вдоль поверхности проходного изолятора

Это объясняется оттеканием части поверхностного тока через емкость С0 на электрод 2. Следовательно, наибольшее падение напряжения U и cоответственно наибольшая напряженность Е будет на емкостях К0, лежащих ближе к электроду 1. Разряд всегда будет развиваться от заземленного фланца 1 в сторону высоковольтного электрода 2. У электрода 1 при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд. При увеличении напряжения область

23

коронирования расширяется и из поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабосветящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода. Стримерные каналы имеют значительную емкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходят сравнительно большие токи. При определенной величине напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов существенно увеличивается и в них становится возможной термическая ионизация. В результате этого каналы преобразуются: сопротивление их резко падает, интенсивность свечения возрастает. Такой вид стримерного разряда называется скользящим. Падение напряжения на каналах cкoльзящиx разрядов снижается, а потенциал головки стримера повышается до потенциала электрода. Ионизационный процесс захватывает все большую область, длина скользящего разряда растет и с повышением напряжения процесс завершается полным перекрытием промежутка.

Для приближенного расчета разрядного напряжения при наличии нормальной составляющей электрического поля используется следующая, формула:

Uр = k l	0,2	d 0,4
					,	(3.1)

где l – длина разрядного промежутка, см; d – толщина диэлектрика, см; – относительная диэлектрическая проницаемость (для стекла = 6); k – коэффициент, определяемый опытным путем.

Из формулы (3.1) следует, что разрядное напряжение увеличивается медленно и зависит от расстояния между электродами. В конструкциях проходных изоляторов принимают дополнительные меры для увеличения Uр:

–уменьшают удельную поверхностную ёмкость С0 посредством увеличения диаметра изолятора у фланца;

–применяют регулирование поля вдоль поверхности изолятора с помощью полупроводящих покрытий (рис. 3.3а):

–увеличивают длину пути разряда с помощью создания развитой ребристой поверхности;

–устанавливают экраны у фланца с целью уменьшения напряжённости поля в месте начале разряда (рис. 3.3б).

24

Рис. 3.3. Регулирование поля вдоль поверхности изолятора с помощью полупроводящего покрытия (а) и с помощью экрана (б)

Описание испытательной установки

Для создания скользящих разрядов на поверхности твердых диэлектриков служит установка высокого напряжения, схема которой приведена на рисунке

3.4.

Изменение подводимого напряжения осуществляют регулятором напряжения. Испытуемый объект включает последовательно с резистором R3, который служит для ограничения тока в цепи при возникновении разряда.

Рис. 3.4. Принципиальная схема испытательной установки на переменном напряжении: 1 – повышающий трансформатор; 2 – регулятор напряжения; HLG, HLR – сигнальные лампы; KA – реле тока; SQ – блокировка; R3 – защитное

сопротивление; KL – промежуточное реле

25

Порядок выполнения работы

1.Измерить разрядные напряжения на макете опорного изолятора с внутренним экраном в зависимости от глубины погружения экрана h. По результатам измерений построить график Uр = f(h).

2.Для модели проходного изолятора измерить разрядные напряжения в зависимости от расстояния между электродами S и построить соответствующие зависимости:

а) для нормальной поверхности диэлектрика; б) то же, при наличии экрана; в) для поверхности, имеющей ребра;

г) для диэлектрика с полупроводящим покрытием.

3.Для модели проходного изолятора снять зависимость разрядного напряжения от величины удельной поверхностной емкости (толщины диэлектрика d) и сравнить её с Uр = f(d), рассчитанной по формуле (3.1).

Контрольные вопросы

1.Объяснить влияние внутреннего экрана на разрядное напряжение опорного изолятора.

2.Как объяснять резконеравномерное распределение напряженности вдоль поверхности проходного изолятора?

3.Какие существуют способы увеличения напряжения перекрытия проходных изоляторов? Дать соответствующие объяснения.

Литература

1.Базуткин В. В. в др. Техника высоких напряжений / В. В. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь. – М.: Энергоатомиздат, 1986, § 7–1, § 13-3.

2.Техника высоких напряжений / Под ред. Д. В. Разевига. – М.: Энергия,

1976, § 4–1 4–4.

26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОНЫ НА ПРОВОДАХ

ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ

Цель работы: ознакомление с основными характеристиками короны при переменном напряжении и методикой их определения.

Общие сведения

Корона представляет собой один из видов самостоятельного разряда, характерного для неравномерных полей. Она возникает в области высокой напряженности электрического поля и свое название получила по внешнему признаку – светящемуся ореолу вокруг коронирующего электрода. Коронный разряд сопровождается потерями энергии и радиопомехами.

Возникновение коронного разряда при переменном напряжении сопутствует накопление объемного заряда в области, прилегающей к проводу, причем объемные заряды имеют положительный и отрицательный знаки. В течение каждого полупериода возникают ионы того же знака, что и заряд на проводе, которые движутся от провода. Ионы противоположной полярности, образовавшиеся при предшествующем полупериоде напряжения, движутся в направлении к проводу. Перемещение объемного заряда вызывает потери энергии, определяемые площадью вольт–кулоновой характеристики.

Вольт–кулоновая характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения заряда от мгновенного значения напряжения (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Вольт–кулоновая характеристика коронирующего промежутка

Пока короны нет, существует линейная зависимость между зарядом на проводе и напряжением (рисунок 4.1, участок 0–1). Если напряжение на проводе превышает напряжение начала короны Uн, линейность зависимости нарушается, так как заряд равен сумме заряда на проводе (qпр) и заряда в объеме (qоб): q = qпр + qоб (рисунок 4.1, участок 1–2). После максимума напряжения (точка 2) ионизация прекращается и пропорциональность изменения заряда и напряжения восстанавливается (участок 2–3), поскольку в этот период времени напряжение изменяется в основном за счет уменьшения заряда провода (объемный заряд находится на большом расстоянии от провода в области малой напряженности и перемещается с малой скоростью). Когда напряженность на

27

проводе достигает величины начальной напряженности короны противоположной полярности, снова возникает ионизация (точка 3), происходит излом вольт– кулоновой характеристики.

При напряжении, меньшем начального напряжения короны, вольткулоновая характеристика представляет собой наклонную прямую. В момент возникновения короны прямая раздваивается, что может быть использовано для определения начального напряжения короны.

Площадь вольт–кулоновой характеристики численно равна потерям энергии на корону за один период Т приложенного напряжения

W = U dq Ui dt. Мощность потерь на корону Рк=Wf, где: f – частота напряжения.

В момент возникновения коронного разряда происходит резкое возрастание тока. О появлении коронного разряда можно судить по появлению импульсов тока короны на кривой тока или вольт–амперной характеристике. Начальная напряженность коронного разряда определяется для провода радиусом r0 по формуле

	0,65
Ен = 23,3 m 1			,	(4.1)
	r	0,38
	0

которая справедлива при отрицательной полярности, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку влиянием полярности на Ен можно пренебречь. В формуле (4.1) Ен выражается в кВ / см, r0 – в см, m – коэффициент гладкости провода, учитывающий форму поверхности витого провода, – относительная плотность воздуха определяется по формуле (2.1). На характеристики коронного разряда (начальное напряжение короны, потери энергии радиопомехи) значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность электрического поля у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение короны при этом резко снижается. Изменение состояния провода при атмосферных осадках учитывается по коэффициенту гладкости провода m. Например, в зависимости от интенсивности дождя и снега m =

0,57 0,73.

Основное влияние на величину потерь оказывает радиус провода r0. Увеличение r0 приводит к уменьшению напряженности на поверхности провода, а, следовательно, к увеличению напряжения начала короны.

Один из способов уменьшения потерь на корону – расщепление проводов на несколько составляющих в фазе. Повышение начального напряжения короны на расщепленных проводах, по сравнению с одиночными проводами равного сечения, объясняется уменьшением наибольшей напряженности у поверхности расщепленного провода, обращенной наружу, за счет наложения электрических полей проводов расщепления. Напряжение начала короны для одиночных и расщеплённых проводов определяется по формуле

28

Uн =	2 0 m	r0 Eн			n	,	(4.2)
		r			Спр
	1 n 1	0
		rр

где Спр – рабочая емкость провода; n, r0 – число и радиус составляющих провода: rр – радиус расщепления; Ен – начальная напряженность короны для гладкого провода (m = 1) с радиусом r0.

Ёмкость провода

Спр =	2 0			,	(4.3)
	ln	2 h

rэ

где h – высота подвеса провода, см;

rэ – эквивалентный радиус провода, см.

Эквивалентный радиус расщепленного провода – радиус такого провода, который при той же высоте подвеса имеет ту же емкость на единицу длины, что и расщеплённый провод заданной конструкции:

	Rэ = n r	2 r		n 1	n 1	k
			р		sin		.	(4.4)
	0				k 1	n

Радиус расщепления определяют по формуле

d

rр = 2 sin , (4.5) n

где d – шаг расщепления, см.

Описание испытательной установки

Принципиальная схема установки для исследования коронных разрядов приведена на рис. 4.2.

29

Рис. 4.2. Схема для снятия вольт–кулоновых характеристик проводов: ТV – высоковольтный трансформатор; R3 – защитное сопротивление; ЭК – коронирующий электрод; ЭН – некоронирующий электрод;

О– электронный осциллограф; Сu1, Cu2 конденсаторы ёмкостного делителя;

К– переключатель; Rу – успокоительное сопротивление; Сq – шунт для измерения заряда; R – шунт для измерения тока

На вертикальные пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряжению на коронирующем проводе.

При заземлении измерительной плоскости ЭН через активное сопротивление R (переключатель Кэ в положение 1) на горизонтальные пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное току короны (U = ik R), при заземлении через Сq (переключатель К в положении 2) – напряжение, пропорциональное заряду в коронирующем промежутке.

Порядок выполнения работы

1.Рассчитать для заданных преподавателем r0, n, и d напряжения начала короны по формулам (4.1) (4.5). Результаты расчетов записать в табл. 4.1.

2.Для принятых исходных данных определить Uн опытным путем и распечатать на принтере вольт–кулоновые характеристики при одном и том же значении приложенного напряжения. Рассчитать потери энергии на корону: Рк=

Sв-к mq mu, где: Sв-к – площадь вольт–кулоновой характеристики, в см², m q =0,7 10+4 К/см, mu = 5,1 10 -7 В/см – масштабы модели. Результаты занести в табл. 4.1.

30