- •Л.А. Ковригин техника высоких напряжений
- •Введение
- •Атмосферные перенапряжения
- •1.1. Волновые процессы в линиях электропередачи
- •1.1.1. Прохождение электромагнитной волны через узловую точку
- •1.1.2. Прохождение электромагнитной волны через индуктивность
- •1.1.3. Прохождение электромагнитной волны мимо емкости
- •1.2. Развитие грозового разряда
- •Важным параметром при расчете грозозащиты является крутизна фронта тока молнии, это отношение амплитуды тока молнии Iм к длительности фронта τф (рис. 1.17):
- •1.4. Молниеотводы
- •1.5. Заземлители
- •Порядок устройства заземлителей:
- •1) Измеряется удельное объемное сопротивление грунта;
- •1.6. Разрядники
- •1.6.1. Структура времени разряда
- •1.6.2. Вольт-секундная характеристика искрового промежутка
- •1.6.3. Принцип защиты объекта разрядником
- •1.6.4. Трубчатый разрядник
- •1.6.5. Вентильный разрядник
- •1.6.6. Магнитно-вентильный разрядник
- •1.6.7. Ограничитель перенапряжения нелинейный
- •1.7. Грозозащита линий электропередачи
- •1.7.1. Индуктированные перенапряжения на лэп
- •1.7.2. Прямой удар молнии в опору лэп, не защищенную тросами
- •1.7.3. Прямой удар молнии в опору лэп с тросами
- •На изоляцию будет воздействовать напряжение:
- •1.7.4. Прямой удар молнии в провод лэп
- •1.7.5. Прямой удар молнии в трос в центре пролета
- •Через τфнапряжение начнет спадать (рис. 1.50,б).
- •1.7.6. Общие принципы защиты лэп
- •1. 8. Грозозащита подстанций
- •1.8.1. Допустимое расстояние между вентильным разрядником и защищаемым объектом
- •1.8.2. Грозозащита подстанций на напряжение 3–20 кВ
- •1.8.3. Грозозащита подстанций на напряжение 35–220 кВ
- •1.8.4. Грозозащита подстанций на напряжение 500 кВ
- •1.8.5. Грозозащита вращающихся машин
- •2. Внутренние перенапряжения
- •2.1. Общие сведения
- •2. 2. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий
- •Возникновение перенапряжений можно избежать при отключении трансформаторов со стороны низкого напряжения (рис. 2.5, б). В этом случае линия разрядится через обмотку трансформатора.
- •2.3. Перенапряжения при отключении трансформаторов
- •С учетом (2.2) уравнение (2.8) примет вид
- •3. Корона на проводах лэп
- •3.1. Общие сведения
- •Зная критическую напряженность, можно определить критическое напряжение образования короны:
- •3. 2. Корона на проводах лэп при постоянном напряжении
- •3.3. Корона на проводах лэп при переменном напряжении
- •3.4. Корона на проводах лэп при импульсном напряжении
- •Скорость распространения волны вдоль некоронирующей линии равна скорости света c:
- •4. Высоковольтные испытательные установки и измерение высоких напряжений
- •4. 1. Одноступенчатый генератор импульсных напряжений
- •Заряд емкости Сф идет в соответствии с уравнением
- •Одновременно идет разряд Сг через Rхв:
- •4. 2. Многоступенчатый гин
- •4.3. Генератор постоянного напряжения
- •4.4. Испытательные трансформаторы
- •4.5. Измерение высоких напряжений
- •4. 5.1. Шаровые разрядники
- •4.5.2. Электростатические вольтметры
- •Достоинством электростатического вольтметра является линейность шкалы, что видно из формулы (4.23). Предел измерения и чувствительность вольтметра регулируются площадью пластин и упругостью пружины.
- •4.5.3. Делитель напряжения
- •4.5.4. Генерирующий вольтметр
1.2. Развитие грозового разряда
Атмосферными называют перенапряжения, которые возникают в электрических системах в результате грозовой деятельности. Ультрафиолетовое излучение Солнца и космические лучи ионизируют атмосферу, в результате вокруг Земли на высоте 50 км возникает проводящая оболочка – ионосфера (рис. 1.7). Эта оболочка и Земля образуют сферический конденсатор, который заряжается от разрядов молнии до 400 кВ.
Рис. 1.7. Ионосфера Земли
Молния, ударяющая в Землю, несет отрицательный заряд, положительные заряды уходят в ионосферу. В электротехнике потенциал Земли принимают за ноль, однако реально на поверхности Земли имеется избыточный отрицательный заряд. Следует различать два явления: излучение делает ионосферу электропроводящей, а молния заряжает этот сферический конденсатор. Воздух не является идеальным диэлектриком, потому непрерывно идет обратный процесс – разряд конденсатора, суммарный ток разряда равен 6 кА. Потенциал Земли в течение суток изменяется, так как интенсивность грозовой деятельности приходится на момент, когда Земля повернута в сторону Солнца Атлантическим океаном, это соответствует 18 часам.
При охлаждении мощных вертикальных потоков теплого влажного воздуха на высоте 3–5 км происходит конденсация паров воды. В силу того, что планета Земля несет на себе избыточный отрицательный электрический заряд, происходит электризация капель воды в электрическом поле Земли. В грозовом облаке капли разбрызгиваются потоками воздуха, что приводит к разделению зарядов.
Экспериментально установлено, что крупные капли приобретают положительный заряд, а мелкая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно. Кроме того, кристаллики льда могут быть наэлектризованы трением о воздух или путем облучения их ультрафиолетовыми лучами Солнца.
Крупные положительно заряженные капли выпадают на Землю в виде дождя, унося положительный заряд. Между облаком и Землей возникает электрическое поле средней напряжённостью порядка 0,1 кВ/мм.
Структура распределения зарядов в грозовом облаке обычно имеет вид, представленный на рис. 1.8. Выше изотермы–10 ºС, как показали исследования, сосредотачиваются положительно заряженные частицы, ниже – частицы, несущие отрицательный заряд. В том месте, где поток воздуха входит в облако, имеется местное скопление положительно заряженных частиц.
Рис. 1.8. Распределение зарядов в грозовом облаке |
Рассмотрим развитие разряда между отрицательным облаком и Землей. Космическое излучение и ультрафиолетовые лучи от солнца непрерывно ионизируют воздух, в 1 см3 каждую секунду образуется и рекомбинирует 60 пар ионов. В том случае, если локальная напряженность электрического поля превысит 2–3 кВ/мм, электрон разгоняется электрическим полем, соударяется с нейтральной молекулой и ионизирует ее (рис. 1.9, а), т.е. происходит ударная ионизация. Далее путь продолжают два электрона, от которых при соударении возникнут еще два электрона, от четырех возникнет восемь и т.д. Пространство, в котором идут процессы ионизации с нарастающей интенсивностью, называется лавиной электронов.
а б в
Рис. 1.9. Развитие начальной лавины
Лавины подразделяются на первичные, образовавшиеся от внешнего источника излучения (рис. 1.9, б), и вторичные, возникшие от излучения первичной лавины (рис. 1.9, в).
Электроны под действием электрического поля уходят из лавины (рис. 1.10, а), оставляя после себя положительные ионы, которые из-за их большей массы перемещаются со значительно меньшей скоростью, чем электроны.
а б
Рис. 1.10. Развитие канала стримера
Разделение зарядов сопровождается испусканием фотонов, которые порождают вторичные электроны, и те, в свою очередь, приводят к образованию вторичных лавин, направленных в сторону головки первичной лавины.
Электроны вторичных лавин втягиваются в полость первичной (рис. 10, б) и двигаются по направлению к облаку, образуется поток электронов внутри начальной лавины; такой поток называют стримером. Фронт стримера интенсивно испускает фотоны.
Фотоны, испускаемые фронтом стримера, образуют вторичные лавины, направленные к фронту стримера (рис. 1.11, а). Стример движется по каналу начальной лавины, питаясь электронами вторичных лавин. Амплитуда тока во фронте стримера достигает 10 А. Концентрация ионов в стримере составляет 1012 ион/см3. Скорость движения фронта стримера 1,0–10,0 м/мкс.
Как только стример заполняет весь канал начальной лавины (рис. 1.11, б), происходит образование первичных лавин из конца стримера (рис. 1.11, в).
Рис. 1. 11. Стример
Ток в канале стримера постоянно увеличивается за счет втягивания в него электронов из вновь образовавшихся вторичных лавин. Так как весь этот ток проходит через прикатодную область (рис. 1.12, а), то именно здесь начинается интенсивная термоионизация. В результате происходит переработка канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал – лидер (см. рис. 1.12, б).
Визуально этот процесс наблюдается в виде яркого свечения, быстро распространяющегося по каналу стримера. Концентрация зарядов в лидерном канале достигает 1018 ион/см3, а ток составляет сотни ампер.
а б в г
Рис. 1.12. Развитие стримера и лидера
Лидер движется быстрее стримера (рис. 1.12, б) и в некоторый момент полностью заполнит его, наступает пауза (рис. 1.12, в). Лидер вследствие его высокой проводимости можно уподобить металлическому стержню. Высокая напряженность электрического поля на конце такого стержня приводит к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал (рис. 1.12, г).
Естественно, что такой механизм развития разряда позволяет лидеру перекрывать большие расстояния при относительно малых средних напряженностях поля. Действительно, в длинных воздушных промежутках разряд происходит при средних напряженностях электрического поля порядка 0,1–0,2 кВ/мм, причем чем длиннее промежуток, тем меньше напряженность поля, при которой происходит разряд. Это свойство лидерного разряда создает трудности при построении линий электропередач сверхвысокого напряжения.
Лидер продвигается с паузами, поэтому он получил название ступенчатого лидера. После паузы лидер распространяется не прямолинейно к земле, а может изменить направление движения в зависимости от места появления начального электрона у конца лидера. Визуально мы наблюдаем молнию в виде изломанной линии.
Впереди лидерного канала (рис. 1.13, а) прорастают стримеры со скоростью 1–10 м/мкс, прокладывающие путь ступенчатому лидеру. Скорость прорастания каждой ступени лидера 50 м/мкс. Средняя длина ступени 50 м. Пауза между отдельными толчками составляет 30–90 мкс. Потенциал лидера равен 6 МВ, вокруг лидерного канала образуется коронный чехол, в котором сосредотачивается значительная часть заряда лидера.
В момент, когда лидер достигает земли (рис. 1.13, б), по лидерному каналу от земли начинает распространяться разрядная волна, снижающая потенциал лидера до нуля (рис. 1.13, в). Процесс распространения по лидерному каналу разрядной волны называется главным разрядом (или обратным разрядом). Визуально такое явление воспринимается как собственно разряд молнии.
Главный разряд распространяется в ионизированной среде коронного чехла, поэтому скорость движения разрядной волны составляет 15–150 м/мкс. По мере удаления от земли скорость главного разряда и интенсивность свечения уменьшаются.
а б в г
Рис. 1.13. Переход лидерного канала в стадию главного разряда
Скорость движения разрядной волны зависит от времени, которое затрачивается на перестройку канала лидера в главный разряд. Распространение от земли к облаку разрядной волны эквивалентно стеканию в землю отрицательных зарядов лидера. Прежде всего стекают заряды, сосредоточенные в самом лидерном канале. Когда лидерный канал приобретает нулевой потенциал, возникает явление «обратной короны», т.е. коронного разряда из области коронного чехла по направлению к лидерному каналу. В результате заряд коронного чехла также стекает по лидерному каналу в землю.
Ток главного разряда I = qV, где q – заряд; V – скорость движения заряда. Поскольку скорость главного разряда велика, то амплитуда тока молнии достигает десятков и даже сотен тысяч ампер, однако длительность тока молнии ограничена в основном временем пробега разрядной волны, которое составляет 50–100 мкс.
Главный разряд приводит к резкому возрастанию проводимости канала молнии. Через этот канал по завершению главного разряда стекают остаточные заряды лидера и облака. В этой стадии, называемой стадией послесвечения, ток достигает сотен и лишь изредка тысяч ампер. Этим током через канал молнии переносится основной заряд из той части грозового облака, из которой начался разряд. В стадии послесвечения молния может быть уподоблена дуге постоянного тока между облаком и землей. Эта дуга поддерживается в течение 0,03–0,05 с. Стадией послесвечения заканчивается структура одного грозового импульса.
Во многих случаях разряд молнии является многократным, состоящим из ряда следующих друг за другом главных разрядов. После завершения стадии послесвечения первого импульса по его пути из облака к земле прорастает стреловидный лидер, который не имеет ступеней и движется непрерывно. За стреловидным лидером из земли в облако следует второй главный разряд, который затем переходит в дугу. Токи молнии повторных импульсов, как правило, ниже тока первого импульса. Причиной возникновения повторных разрядов являются внутренние разряды в грозовом облаке между нейтрализованной областью и соседними скоплениями зарядов.
Многократный характер разряда молнии наблюдается как мерцание молнии. Суммарный заряд, переносимый молнией, лежит в пределах 20–100 Кл.
1. 3. Параметры разряда молнии
Ток молнии.Для измерения амплитуды токов молнии применяется ферромагнитный регистратор, который представляет собой стержень, изготовленный из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью μ и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 1.14). Ферромагнитный регистратор устанавливается вблизи молниеотвода или на опорах ЛЭП. При протекании тока молнии Iм по молниеотводу вокруг него на расстоянии R возникает напряженность магнитного поля (рис. 1.15)
. (1.38)
Максимальное значение магнитной индукции Bmax = μμ0Hmax намагнитит регистратор до остаточной индукции Br, где μ0 = 4π10-7Гн/м – магнитная постоянная.
-
Рис. 1.14. Петля гистерезиса
для магнитного материала
Рис. 1.15. Измерение тока молнии
Измерив в лаборатории с помощью магнитометра остаточную индукцию Br и учтя, что для прямоугольной петли гистерезиса Br Bmax, по формуле (1.38) вычисляем ток молнии Iм.
Вероятность амплитуд тока молнии. Регистраторы устанавливаются в начале грозового сезона, а в конце снимаются, и по ним определяется ток молнии. Массовые измерения токов молнии позволили построить кривые вероятности амплитуд токов молнии. На рис. 1.16 представлена зависимость амплитуды тока молнии от вероятности ее появления для средней климатической полосы России. Наиболее часты токи молнии до 50 кА. Токи молнии 50–100 кА встречаются редко, а свыше 100 кА – очень редко и, следовательно, должны учитываться только при проектировании весьма ответственных объектов.
С увеличением высоты местности кривые вероятностей токов молнии снижаются.
Рис. 1.16. Кривая вероятности амплитуд тока молнии |