6.8. Элементы исследования

Представляет интерес исследование характеристик (U_н, Е_н) униполярной и биполярной короны для системы электродов провод-земля при расщеплении провода с использованием ЭВМ.

6.9. Контрольные вопросы

1. Объясните физическую причину появления радиопомех при коронировании.

2. Какими методами можно ослабить радиопомехи у абонента, расположенного вблизи БЛ?

3. Объясните протекание коронного разряда на униполярной и биполярной БЛ постоянного тока.

4. Каково влияние коронного разряда на внутренние и атмосферные перенапряжения?

5. Определите начальную напряженность поля ЕН провода АСО-400 для линии, расположенной на высоте Н = 2000 м и t = 38 ºС.

6. Покажите форму кривой тока i=i_k+i_c и составляющие этого тока, определяющие потери на корону и возрастание емкости линии.

7. Поясните стадии процесса коронирования на постоянном и переменном напряжениях.

Лабораторная работа №7

"Исследование разряда по поверхности твердых диэлектриков"

7.1. Цель работы

Изучение характеристик разряда по поверхности диэлек­трика в зависимости от свойств диэлектрика, конфигурации поля, расстояния между электродами и воздействующего напря­жения .

7.2.Программа работы

Ознакомиться с установкой и правилами безопасности.

Задание 1.Определить влияние электрического поля на характер развития разряда.

Задание 2. Определить разрядные напряжения по поверх­ности диэлектрика в зависимости от расстояния между электродами.

Задание 3. Определить разрядные напряжения промежутков с помещенными между электродами цилиндрами, сна­чала использовать цилиндры, выполненные из гиг­роскопического диэлектрика, затем из мало гигро­скопического диэлектрика. Определить средние разрядные градиенты напряжения E_cp=f (i ).

Задание 4. Определить напряжение появления короны и разрядные напряжения промежутков с преобладающей тангенциальной составляющей для 4-х значений межэлектродного расстояния при воздействии переменного напряжения. Определить E_cp=f(i).

Задание 5. Определить напряжение возникновения короны, скользящих разрядов и разрядное напряжение для 4-х значений межэлектродного расстояния при воз­действии переменного напряжения в промежутке с преобладающей нормальной составляющей электриче­ского поля. Определить E_cp=f( ).

Задание 6. Определить возникновения короны U_k напряже­ния, возникновения скользящих разрядов U_CK и раз­рядное напряжение U_p при различных значениях удельной поверхностной емкости.

Задание 7. Построить графики U_p=f( ), E_L._p=f( ) по резуль­татам 3, 4 и 5 опытов. По 6-му опыту построить график U_ск = f( ) ,U_p=f( ) ,E_cp= f( ).

7.3.Теоретические сведения

Необходимость изучения разрядов по поверхности твердо го диэлектрика в воздухе связана с тем, что они обуславливают разрядные характеристики внешней изоляции. Напряжение разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в воздух практически всегда ниже разрядного напряжения воздушного промежутка такой же длины и конфигурации электрического поля. Величина напряжения поверхностного разряда определяете длиной разрядного канала, конфигурацией электрического пол в промежутке, электрофизическими характеристиками и состоянием поверхности твердого диэлектрика, температурой, давлением и влажностью воздуха.

Все многообразие электрических полей изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трём характерным случаям.

1. Равномерное поле (рис.7.1,а). Поверхность раздела двух диэлектрических сред расположена вдоль силовых линий электрического поля.

2. Неоднородное поле с преобладанием тангенциально составляющей напряженности поля во всех точках поверхности диэлектрика (рис. 7.1, б) .

3. Неоднородное поле с преобладанием нормальной со­ставляющей напряженности электрического поля (рис.7.1, в).

ВН

б)

а)

а )

Рис. 7.1.Система электродов с равномерным полем (а), преобладающей тангенциальной (б) и преобладающей нормальной (в) составляющей электрического поля.

Рассмотрим влияние остальных факторов на величину раз­рядного напряжения и на характер развития разряда относительно вышеперечисленных трех случаев.

Диэлектрик, помещенный в однородное поле (рис.7.1,а 7.2,а).

Идеальный диэлектрик, помещенный в равномерное поле, не нарушает постоянства напряженности поля, и пробой такого промежутка может произойти в любом месте - как по воздуху, так и вдоль поверхности диэлектрика. В первом случае разрядное напряжение окажется таким же, как и для воздушного промежутка.

Однако, в действительности разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика и при напряжении, более низком, чем в воздушном промежутке. Значительную роль, в снижении раз­рядных напряжений играет адсорбированная диэлектриком вла­га, в котором содержатся диссоциированные ионы. В электри­ческом поле сравнительно медленно из-за малой проводимости увлажненного слоя происходит перераспределение зарядов на поверхности диэлектрика. Под действием приложенного к элек­тродам напряжения диссоциированные ионы, содержащиеся в ад­сорбированной диэлектриком влаге, перераспределяются по по­верхности диэлектрика, искажая градиент потенциала вдоль его поверхности. Поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. В результате этого значе­ние разрядного напряжения уменьшается. Материалы, обладаю­щие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных на­пряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт) . На импульсах электрическое поле в промежутке не ус­певает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере, чем при постоянном и.переменном напряжениях.

Помимо увлажнения поверхности диэлектрика большое влияние на значение разрядного напряжения могут оказывать воздушные прослойки между диэлектриком электродами. В этих микрозазорах из-за разницы в диэлектрических проницаемостях воздуха и диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля и возникает ионизационные процессы. Про­дукты ионизации, выходя на поверхность диэлектрика, создают местное усиление поля, что приводит к значительному (иногда вдвое и больше) снижению разрядного напряжения. В реальных изоляционных конструкциях конфигурация твердого ди­электрика искажает однородном поле электродного промежутка.

Чаще конструкция, показанная на рис. 7.1,а, 7.2,а ис­пользуется для исследования характеристик разряда по по­верхности диэлектрика.

Неоднородное поле с преобладающей тангенциальной составляющей (рис. 7,1,б, 7.2,б ) характерно для опорных изоляторов. Влияние гигроскопических свойств диэлектрика на величину разрядных напряжений в этом случае будет меньшим, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без то­го значительную неоднородность поля.

Конфигурация электрического поля с преобладающей нор­мальной составляющей напряженности характерна для конструк­ции проходного изолятора. Неоднородность поля в межэлек­тродном промежутке в этом случае выше, чем в рассмотренных ранее, и, следовательно разрядные напряжения ниже (рис. 7.1,в, 7.2,в).

В неоднородном поле максимальное значение напряженно­сти имеет место вблизи электродов. В опорных изоляторах один электрод, обычно значительных размеров, соединен с "землей", второй электрод соединен с высоким потенциалом и возле него наблюдается Е_mах, откуда начинается разряд.

Гигроскопические свойства диэлектрика мало влияют на разрядные напряжения опорных изоляторов, поскольку процессы на их увлажненной поверхности могут лишь несколько увели­чить и без того значительную неоднородность поля. Не плот­ное прилегание диэлектрика к электродам в реальных конструкциях устраняется с помощью цементирующих замазок или эластичных прокладок.

2

E_t

1

1

E

2

E_ннннн

E

б)нннн

а)

2

1

1

E

E_t

E_н

в)

Рис. 7.2 Конфигурация полей в реальных конструкциях

Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно бы­вает соединен с заземленными конструкциями, имеющими значи­тельные размеры. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается и разряд начинается с другого электрода (шапки), находящегося под высоким потенциалом. Можно суще­ственно увеличить и_р по поверхности такого изолятора с по­мощью внутреннего экрана, уменьшающего напряженность поля на электроде, находящемся под напряжением. На рис. 5.3. приведена зависимость U_p от длины (L) внутреннего экрана при импульсных напряжениях обеих полярностей. Очевидно, что це­лесообразная длина внутреннего экрана определяется при по­ложительной и отрицательной полярностях.

В однородном поле, устройство ребер на по­верхности диэлектрика может значительно увеличить U_p, при этом наибольшее значение имеют ребра, расположенные в об­ласти сильного поля, т.е. у незаземленного электрода опор­ного изолятора.

В большинстве изоляционных конструкций (проходные изоляторы, изо­ляции обмоток электрических машин и т.п.) поверхностный разряд протека­ет в условиях резко неоднородного поля с преобладанием нормальной составляющей. Наличие большой напряженности на поверхности диэлектрика Е_с приводит к значительному снижению разрядного напряжения(рис.7.1,в),(7.2,)

U_pmax, кВ

отрицательной

полярности

2 4 6 3 10 12 14

Рис.7.3.Зависимость U_p от длины 1 внутреннего экрана при импульсных напряжениях обеих полярностей.1-при положительной полярности, 2-при отрицательной полярности.

Ионизация начинается в точке, где напряженность велика (т.А), благодаря малому расстоянию между электродами, по­этому уже при относительно небольших U на краю электрода возникает коронный разряд. При увеличении U светящиеся нити распространяются до противоположного электрода, и происходит полный пробой промежутка. Эта последняя стадия получила на­звание "скользящий разряд", т.к. каналы разрядов как бы примыкают к поверхности диэлектрика, не отрываясь от неё на всем пути между электродами.

Рассмотрим распределение напряженности поля по поверх­ности проходного изолятора (рис. 7, 4) . На эквивалентной схеме замещения С представляет собой емкость единицы по­верхности изолятора относительно электрода 2 и называется условной поверхностной емкостью, К - емкость между соседни­ми единицами поверхности изолятора. Из схемы замещения видно, что токи ic протекающие через емкости неодинаковы, в ре­зультате чего напряжение на поверхности изолятора распреде­ляется неравномерно и напряженность поля у края электрода 1 будет тем выше, чем больше отношение С/К.

Поверхностный разряд развивается следующим образом: (рис.7.5).

1. При некотором (начальном) напряжении у края элек­трода 1 начинается коронный разряд 2 в форме коротких пря­мых параллельных и плотно расположенных нитей - при положительном полу периоде, и в форме узкой светящейся поло­сы - при отрицательном полу периоде. Причем длина нитей про­порциональна приложенному напряжению. Возникает коронный разряд в виде полоски равного и неяркого свечения.

Рис. 7.4 Распределение напряженности по поверхности проходного изолятора

4

L_из

L_ск

4

а)

2

3

б)

3

С_о

С_о < С_о

в)

Рис 7.5 Развитие поверхностного разряда

2. Увеличение напряжения приводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике много­численных слабосветящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. Характер разрядных процессов определяется величиной токов, текущих в разрядных каналах. При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называе­мая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свече­нием канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала электрода в глубь проме­жутка.

3. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивает­ся с повышением напряжения и процесс завершается перекрыти­ем промежутка между электродами. За счет значительного вы­деления тепла в канале разряда может произойти повреждение поверхности изолятора.

Величина тока в стримерном канале в наибольшей степени определяется емкостью канала по отношению к противоположно­му электроду. В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т.е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Очевидно, что чем выше удельная поверхностная емкость, тем больше ток, протекающий по каналу на зарядку этой емко­сти, поэтому выше проводимость стримерного канала и потен­циал на его конце, быстрее растет длина скользящего разряда и ниже напряжение разряда по поверхности. На постоянном на­пряжении до начала развития канала разряда влияние тока за­рядки поверхностной емкости практически отсутствует, поэто­му разрядное напряжение выше.

Напряжение перекрытия изолятора можно определить из выражения:

(7.1)

Или так как

(7.2)

где С₀ - поверхностная емкость, Ф/см;U - приложенное напряжение, кВ;

К - коэффициент, зависящий от рода напряжения (для положительных импульсов К= 39,10 ; для отрицательных им­пульсов К=33 10 );L_из -расхождение между электродами.

Приведенное выражение показывает, что для увеличения напряжения перекрытия необходимо увеличивать длину изолято­ра и уменьшать его поверхностную емкость. На практике это реализуется применением материалов с меньшей диэлектриче­ской проницаемостью и изготовлением на поверхности изолято­ра ребер. Загрязнение поверхности изоляторов полупроводящи­ми осадками является одной из главных причин перекрытия изоляторов при рабочем напряжении. Загрязнение в сухом со­стоянии обычно не снижает и_р . Под действием влаги загряз­нение приобретает новую проводимость. Проводимость этого слоя значительно выше проводимости воды. Отложение загряз­нений происходит при скоростях ветра, не превышающих 1-4 м/с.

Особенно опасным для изоляции являются уносы котель­ных, химических, металлургических, цементных заводов. Ради­ус зоны интенсивного загрязнения, считая от источника, со­ставляют 1-2 км, а для химических заводов до 2,5 км.

Увлажнение загрязнения происходит особенно сильно во время туманов, росы, моросящего дождя, таяния снега и голо­леда. Напротив, интенсивные дожди смывают загрязнения и очищают изоляторы.

Поскольку перекрытия происходят при загрязнениях и ув­лажнениях, говорят о грязиразрядном U_rp или влагоразрядном U_вp напряжениях изоляторов.

Основным конструктивным фактором, влияющим на U_p увлаж­ненного изолятора, является длина его пути утечки, которая может сравнительно просто регулироваться в широких преде­лах. Поэтому обычным путем борьбы с перекрытиями при за­грязнениях является нормирование достаточных длин путем утечки. Величина длины пути зависит от проводимости загряз­няющего слоя, его толщины и удельной электропроводимости.

Минимальные допустимые удельные длины пути утечки нормируются. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

(7.3)

г де _ут.эф—эффективная длина пути утечки ;U_ф - рабочее фазное напряжение ;  _{у т} - удельная длина пути утечки изоляторов, см/кВ.

Нормы на удельную длину пути утечки приводятся в таблицах. Длина удельных путей утечки находится в пределах: _{у т} — (2,16) см/кВ действ.

Чем больше значение тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и напряжение на не перекрытой части промежутка, тем быстрее растет длина скользящего раз­ряда и ниже оказывается напряжение перекрытия.

При переменном напряжении ток определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Очевидно, чем больше емкость, тем должно быть меньше раз­рядное напряжение, конечно, при постоянстве расстояния меж­ду электродами по поверхности диэлектрика.

В качестве величины характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т.е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по от­ношению к противоположному электроду. Поскольку удельная поверхностная емкость обратно пропорциональна толщине ди­электрика, разрядное напряжение может быть выражено так:

При неизменных толщине и материале диэлектрика раз­рядное напряжение зависит от расстояния L между электродами по поверхности диэлектрика в общем случае

В (7.4) - (7.6): k _e , k d, k, т, п- постоянные для рассматриваемой конструк­ции величины.

Для приближенного расчета напряжений поверхностного разряда можно использовать следующие эмпирические формулы:

а) Действующее значение напряжения поверхностного разряда промежутка с преобладающей тангенциальной составляющей напряженности электрического поля:

U_р=7,83+3,91*L [кВ] ,

где L - длина разрядного промежутка ,см . ,

U_р - разрядное напряжение, кВ эфф.

б) напряжение начала скользящих разрядов в промежутке с преобладающей нормальной составляющей напряженности электрического поля:

(7.4)

где С - удельная поверхностная емкость в (Ф/см²)

Для плоского диэлектрика имеем:

(7.5)

где d - толщина диэлектрика, в см. ,- относительная диэлектрическая проницаемость (для стекла  =6) .

После подстановки (7.8) в (7.9) получим для плоского диэлектрика

0,44 [кВ эфф ] , (7.6)

в)разрядное напряжение при нормальной составляющей на­пряженности электрического поля, для плоского диэлектрика.

[кВ] , (7.7)

Для изучения разрядных напряжений в одиночном поле ис­пользуется промежуток между двумя дисками с закругленными краями (рис.7.2,a). В промежуток помещаются диэлектриче­ские цилиндры разной высоты, сделанные из гигроскопического и мало гигроскопического материала.

Разрядные напряжения по поверхности диэлектрика в неоднород­ном поле с преобладающей тангенциальной направленности изучаются на конструкции, показанной на рис.7.6.

Электроды представляют со­бой металлические кольца 1. В качестве твердого диэлектрика используется стеклянная трубка 2. Одно из колец служит одно­временно для крепления стеклян­ной трубки к изолятору, другое может перемещаться по поверхно­сти трубки, при этом изменяется расстояние между электродами. Влияние внутреннего экрана на разрядное напряжение изучается на опорных изоляторах, один из которых имеет такой экран (рис.7.7).

Рис. 7.7 Опорные изоляторы с внутренним (а) экраном и без него (б).

Для изучения поверхностно­го разряда в неоднородном поле с большой нормальной составляю­щей напряженности внутрь стек­лянной трубки 1 помещается ме­таллическая трубка 2 (рис.7.8) таким образом, чтобы внутренний конец ее находился примерно по середине стеклянной трубки. На­пряжение подается между кольцом 3 и металлической трубкой. Пе­ремещая кольцо по поверхности стекла, можно изменить расстоя­ние между электродами. Удель­ная поверхностная емкость в этом устройстве не изменя­ется .

2

Рис.7,8 Макет изолятора, 1- стеклянная трубка, 2- металлическая трубка, 3- кольцевой электрод.

Влияние удельной по­верхностной емкости на развитие разряда изучает­ся с помощью устройства, электродами разрядного промежутка в этом устрой­стве служат полусфера ПС, на которую подается на­пряжение, и заземленная металлическая пластина с круглым вырезом П-i. Вторая заземленная металлическая пластина П₂ может устанавливаться на разных расстояниях от поверхности диэлектрика, указываемых специ­альной шкалой Ш, и служит для изменения удельной поверхно­стной емкости.