Лабораторная работа №6 Исследование характеристик коронного разряда на постоянном напряжении

6.1. Цель работы

Опытным путем определить основные электрические характеристики короны и сопоставить их с расчетными.

6.2. Программа работы

Ознакомится с высоковольтной испытательной установкой.

Задание 1. По показаниям барометра и термометра определить давление и температуру.

Задание 2.С помощью электронного осциллографа определить критическое напряжение для проводов при положительном и отрицательном напряжении на проводе.

Задание З.Для одного из проводов снять вольт-амперную характеристику при положительной и отрицательной полярности провода.

6.З. Краткие сведения.

Корона на проводах при постоянном напряжении.

Перемещение, объемного заряда в пространстве, окружающем коронирующий электрод, сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев воздуха. Эти потери определяют в основном потери на корону, затраты энергии на ионизационные процессы не столь велики.

Применительно к ЛЭП высокого напряжения различают местную и общую корону. Местная корона появляется в точках неоднородности поверхности электрода (шероховатости, заусеницы, неровности, пылинки и т.п.). Местная корона может возникнуть при, напряжениях, значительно меньших, чем критическое, в виде светящихся точек на электроде. Общая корона своим светящимся чехлом охватывает всю поверхность про вода, при этом ток короны на проводе теряет свой прерывистый характер. Такая корона наблюдается при выполнении условия самостоятельности разряда, т.е. при U=U_kp.

При постоянном напряжении различают два вида коронного разряда униполярный, когда коронирующие провода в промежутке имеют одинаковую полярность, и биполярный, когда коронирующие провода имеют противоположенную полярность.

Если к промежутку приложено постоянное напряжение, то в стационарном режиме вся внешняя область, в которой отсутствуют ионизация, оказывается заполненной объемным зарядом того же знака, что и коронирующий электрод. В результате увеличивается заряд на проводе, напряженность Е_кр возрастает до значения mЕ_кр, после чего заряд приобретает свое прежнее значение. Если напряженность поля Е_кр превысит значение mЕ_кр, то из чехла короны будет выделяться больший заряд, суммарный заряд mЕ во внешней зоне возрастает, благодаря чему напряженность поля поверхности провода упадет до значения mЕ_кр. Движение объемного заряда под действием сил электрического поля создает ток короны, величина которого существенно превышает нормальный ток утечки.

Экспериментально установлено, что критическая напряженность поля на поверхности провода Е_к, при которой корона приобретает форму самостоятельного разряда, практически не зависит от полярности. Для гладкого полированного провода радиуса rо, расположенного вдоль оси цилиндра с радиусом

R >> r_о

Для двух коронирующих проводов радиусом r_o, находящихся на расстоянии S » r_o друг от друга, или для провода подвешенного над заземленной плоскостью на высоте h = S/2 аналогичные формулы (формулы американского инженера Пика) имеют вид:

Провода линий электропередачи свиты из большого числа проволок, поэтому имеют не гладкую поверхность, вследствие чего напряженность в различных точках проводов обычно определяют среднюю напряженность на поверхности провода

Так как коронный разряд прежде всего возникает в точках "а" (рис. 6.3),

то критическая напряженность провода того же радиуса равна mЕ_кр <Е_ср.

Начальная напряженность коронного разряда определяется по формуле

где m - коэффициент не гладкости провода (0,82-0,94); в горных условиях рекомендуется принимать

m = 0,7-0,75;

δ - относительная плотность воздуха;

r_о - радиус провода, см;

Е_н - начальная напряженность, кВ/см.

Учитывая сходство формул (6.1 и 6.3) не только по структуре, но и по достаточно близким значениям числовых коэффициентов, в теоретических и практических исследованиях широко используется цилиндрический конденсатор. Это особенно важно потому, что поле цилиндрического конденсатора рассчитать гораздо проще, чем поле двух проводов, а при проведении экспериментов с использованием цилиндрического конденсатора легче осуществить защиту промежутка от влияния внешних полей. Для проводов ЛЭП начальная напряженность отрицательной короны несколько меньше чем напряженность положительной короны. В связи с тем, что отрицательная корона способствует возникновению положительной, появившись при отрицательном полупериоде напряжения, корона поддерживается далее и при отрицательном. Это означает, что Е_н короны переменного тока равно Е_нач отрицательной короны.

Экспериментальные зависимости начальных Е самостоятельного разряда с цилиндрических электродов в случае положительного заряда:

Уменьшение начальных напряженностей при увеличении радиуса цилиндра определяется уменьшением падения напряженностей поля вблизи поверхности электродов при увеличении их радиуса, благодаря чему растет длина лавин. При большой длине лавин необходима меньшая напряженность поля для создания числа фотонов необходимых для поддерживания самостоятельного разряда, как в случае однородного поля.

Напряжение, при котором зажигается коронный разряд на проводе, называется начальным напряжением и для цилиндрического конденсатора определяется по формуле:

Для определения потерь на корону при постоянном напряжении необходимо найти вольтамперную характеристику I=f(U), где I - ток короны на единицу длины линии. Тогда мощность потерь на корону на единицу длины:

Расчёта мощности потерь на корону при постоянном напряжении имеет вид:

где А - коэффициент, зависящий главным образом от геометрических размеров промежутка.

Следует заметить, что, учитывая сделанные допущения, формула (6.12) не позволяет сделать точные расчёты потерь на корону. Расчетные данные приведены на рис. 6.2.

Из рис. 6.2 видно, что потери на корону при постоянном напряжении имеют значительно меньшую величину, что объясняется различием механизма потерь при ранних видах напряжений.

Корона называется униполярной, если коронирует один электрод, и биполярной, если коронируют оба электрода. Рассмотрим в общих чертах механизм потерь на корну при постоянном напряжении для указанных выше случаев коронирования (рис. 6.3).

В первом случае (рис. 6.3, а) два коронирующих провода, к которым приложены симметричные напряжения +U/2 и -U/2, разделены заземленной металлической пластинкой и процессы, ионизации в каждом из промежутков идут независимо друг от друга (униполярная корона). Созданные в результате этих процессов объемные заряды не взаимодействуют друг с другом. В промежутке коронирует один электрод. Генерируемые заряды, имеющие тот же знак, что и знак коронирующего электрода, под действием внешнего поля устремляются к заземленной плоскости, где происходит их нейтрализация.

Между коронирующим электродом и плоскостью устанавливается стационарный ток конвекции (ток утечки). Вследствие этого вокруг и в окрестности электрода искажение поля не столь значительно, Т.к. объемный заряд сравнительно не велик. Потери на корону в данном случае будет равны сумме потерь на каждом из проводов P=P₁+P₂.

Во втором случае (рис. 6.3, б) металлическая заземленная пластина отсутствует и процессы ионизации вблизи одного из электродов могут оказывать и оказывают влияние на ионизационные процессы вблизи другого электрода (биполярная корона). Не все ионы противоположенных знаков, встречаясь в нейтральной плоскости, рекомбинируют. Часть из них проникает в пространство, заполненное ионами противоположенного знака, и нарушают там достигнутое состояние равновесия, сопровождающееся увеличением напряженности поля в окрестности коронирующего провода.

Для восстановления ранее существовавшего равновесного состояния ионизации вблизи провода усиливается при этом увеличивается и ток в промежутке, следовательно, потери на корону возрастают.

Усиление интенсивности коронирования в случае биполярной короны приводит К тому, что суммарные потери Р > P₁+P₂.

На ЛЭП постоянного тока униполярная корона существует при расположении на опоре проводов одной полярности, а биполярная – при расположении на опоре проводов разных полярностей.

Большой вклад в дело изучения коронного разряда и механизма потерь внес академик В.И. Попков. Исследование характеристик коронного разряда проводится на конденсаторе Роговского.

Потери при коронировании на постоянном напряжении выражаются в обобщенных координатах Р, U/U_н где U - напряжение полюса, U_н - начальное напряжение короны полюса значение U_н = U·(Е_н/Е), где Е - напряженность на поверхности провода, вычисляемая по формулам расчета максимальной напряженности поля на проводах (Л3, 1.7), а Е_н определяется по формуле 6.5.

Расчет среднегодовых потерь на корону производится по формулам:

на одну цепь биполярной линии:

Приведенные формулы справедливы независимо от числа проводов в полюсе (расщепления проводов). Увеличение потерь вследствие возрастания эквивалентного радиуса пучка проводов отражается множителем (при возрастании r_э возрастает U_н, однако вследствие снижения v_j (U/U_н) потери Р_К снижаются).