Лабораторная работа № 3 Разряд в воздухе в резко неоднородном поле.

3.1. Цель работы

Исследование влияния полярности электродов и барьеров на разрядное напряжение воздушного промежутка остриё - плоскость.

3.2. Программа работы

Ознакомится с испытательной установкой и правилами безопасности работы.

Задание 1. Экспериментально определить начальные и разрядные напряжения воздушных промежутков для электродов остриё - плоскость при положительной и отрицательной полярности острия.

Задание 2. Экспериментально определить влияние барьеров промежутков остриё - плоскость для каждой полярности.

Задание 3. Рассчитать зависимость U_np = f (S) по эмпирическим формулам и сопоставить результаты расчетов с данными измерений.

Задание 4.Построить графики зависимости. Нанести на графики опытных данных расчетную зависимость. Объяснить причину расхождения.

3.3 Краткие сведения

Основным диэлектриком для создания внешней изоляции высоковольтного оборудования, работающего в открытых распредустройствах электрических станций и подстанций, является воздух при атмосферных условиях. При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность 30 кВ/см. В большинстве случаев электрические поля изоляционных конструкций являются неоднородными, и электрическая прочность воздушных промежутков значительно уменьшается. Это связано с некоторыми особенностями развития разряда в неоднородных полях.

При приложении к воздушному промежутку напряжения в воздухе происходят ионизационные процессы, увеличивающие количество носителей зарядов, в результате чего при определенной величине приложенного напряжения происходит резкое увеличение тока - пробой воздушного промежутка. В случае одно родного и квазиоднородного полей ионизация происходит по всей длине проме­жутка. Начальное напряжение, т.е. минимальное напряжение, при котором вы­полняется условие самостоятельности разряда, в этом случае равно пробивному напряжению.

В слабо неоднородных и резко неоднородных полях ионизация происходит только в части промежутка, причем чем больше степень неоднородности поля, тем меньше область ионизации. Возникающий в этих областях самостоятельный разряд называется коронным разрядом, а начальное напряжение - напряжением зажигания коронного разряда U_H В слабо неоднородных полях коронный разряд занимает существенную часть промежутка, является неустойчивым и быстро пе­реходит в полный пробой промежутка. Таким образом, коронное напряжение может совпадать с пробивным.

В сильно неравномерных полях коронное напряжение существенно влияет на величину разрядного напряжения. Примером таких полей может служить изо­ляция воздушных промежутков линий электропередач (ЛЭП). Несмотря на срав­нительно низкую электрическую прочность (Е_пр< 30 кВ/см) воздушная изоляция имеет ряд достоинств: во-первых, простота конструкции и малая по сравнению с другими способами передачи электроэнергии стоимость ЛЭП; во-вторых, отсут­ствие старения, т.е. способность восстанавливать свои изолирующие свойства после погасания разряда (это свойство используется для организации автомати­ческого повторного включения).

Наиболее характерными промежутками ЛЭП являются воздушные промежутки между проводом и землей; между соседними проводами; между проводом и транспортом, который может проезжать под проводами ЛЭП; промежуток между проводом и грозозащитным тросом.

Изоляция проводов на опоре складывается из гирлянд изоляторов и воздушных промежутков, основными из которых являются промежутки между проводами и стойкой или стойками опоры, между проводом и оттяжкой. Расстояния и компоновка оборудования открытого распределительного устройства подстанций также выбираются с учетом разрядных характеристик промежутков.

Начальное и разрядное напряжение в промежутке стержень-плоскость. Влияние полярности.

Начальное напряжение в промежутке стержень-плоскость слабо зависит от полярности, но все же при положительном стержне оно несколько выше, чем при отрицательном. Объяснить это можно, исходя из уравнения самостоятельности разряда.

Коэффициент вторичной ионизации у при положительной полярности электрода определяется фотоионизацией в объеме газа, вызванной излучение лавины. В случае отрицательной полярности электрода у определяется фотоионизацией как в объеме газа, так и на поверхности электрода. Следовательно, величина у при отрицательной полярности будет больше, чем при положительной. Тогда из уравнения самостоятельности разряда следует, что число электронов в лавине, необходимое для выполнения условия самостоятельности разряда, при положительной полярности должно быть больше, чем при отрицательной. Число электронов в лавине возрастает с увеличением напряженности электрического поля у электрода, следовательно, при положительной полярности электрода напряженность у электрода и соответственно напряжение на промежутке стержень-плоскость при положительной полярности выше, чем при отрицательной полярности стержня. Это различие определяется тем, что при отрицательном стержне затруднено формирование стримера, необходимого для пробоя промежутка. По этой причине начальное напряжение промежутка при переменном напряжении будет таким же, как и при отрицательной, полярности постоянного напряжения.

Типовым промежутком с несимметричным резко неравномерным полем является промежуток "острие - плоскость", в котором формирование разряда за­висит от полярности электрода с большей напряженностью поля, т.е. "острие". На рис. 3.1 приведено распределение зарядов в зоне ионизации промежутка стержень-плоскость от единичной лавины и кривые изменения напряженности электрического поля Е_вн по длине промежутка при положительном (рис. 3.1 а) и отрицательном (рис. 3.1 б) стержнях.

При положительной полярности острия, образовавшийся в промежутке электрон, двигаясь к стержню и попадая в область сильного поля, совершает ио­низацию и образует лавину электронов. Если напряжение между электродами возрастает медленно, то еще до образования короны в промежутке может обра­зоваться достаточно большое число лавин. Когда каждая из этих лавин доходит до стержня, электроны лавины нейтрализуются на электроде, а положительные ионы остаются в пространстве, медленно перемещаясь к противоположному электроду. Таким образом вблизи стержня создается положительный объемный заряд. Присутствие положительного объемного заряда ослабляет поле вблизи стержня и несколько усиливает его во внешнем пространстве. Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина справа от объемного заряда (рис. 3.1 а), электроны которой, смешиваясь с положительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стримера заполненный плазмой, заряды плазмы стримера находятся в электрическом поле, поэтому они будут распределяться неравномерно и на головке стримера будет располагаться некоторый избыточный положительный заряд. Этот заряд частично компенсирует поле в канале самого стримера и создает повышенную напряженность на его головке. Наличие области сильного поля перед головкой обеспечивает образова­ние новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера, а ионы соз­дают положительный объемный заряд, приводящий к дальнейшему усилению поля перед головкой стримера. Вновь образованные лавины превращают этот объемный заряд в продолжение канала стримера, который постепенно удлиняет­ся, прорастая к катоду.

При отрицательной полярности острия образование стримера вблизи ост­рия оказывается сильно затрудненным. Сильное поле непосредственно около острия приводит к образованию большого числа лавин, распространяющихся по направлению к окружающему острию положительному заряду. Именно в силу большего числа одновременно развивающихся лавин не возникает условий для образования заполненного плазмой узкого канала, а создается более или менее однородный плазменный слой (рис. 3.1 б). Этот слой играет роль как бы экрана с гораздо большим радиусом кривизны, чем стержень, и благодаря его возникно­вению напряженность поля во внешней области уменьшается.

При дальнейшем возрастании напряжения ионизация длительное время продолжает происходить только в пространстве между острием и плазменным слоем, который постепенно увеличивается в сторону противоположного электро­да. Напряженность поля во внешней поверхности плазменного слоя постепенно растет и при дальнейшем возрастании напряжения возникают лавины электронов справа от этого слоя.

Положительные заряды этих лавин вызывают дальнейшее возрастание напряженности на границе плазменного слоя, благодаря чему появ­ляется большее число лавин, слияние которых приводит к удлинению плазмен­ного слоя по направлению к аноду и превращению его в стример. Однако, так же как и в начале процесса, благодаря большому числу возникающих лавин головка стримера оказывается размытой, возрастание напряженности поля на головке оказывается гораздо меньшим чем при положительном острие.

В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрица­тельном острие происходит с большими трудностями, поэтому и разрядное на­пряжение при отрицательном острие значительно выше чем при положительном (в 2 - 2.5 раза).

Влияние диэлектрического барьера на разрядное напряжение резко неоднородного промежутка

Барьером называется диэлектрик, который помещается между электрода­ми перпендикулярно центральной силовой линии электрического поля. Если в качестве барьера использовать изоляционный материал, пробивное напряжение

которого соизмеримо с пробивным напряжением промежутка, то за счет электрической прочности барьера суммарная электрическая прочность промежутка повышается. Пробивное напряжение промежутка при наличии барьера зависит от полярности электрода и расположения барьера в промежутке.

Существенное влияние объемного заряда на развитие разрядного процес­са используется на практике для увеличения разрядных напряжений газовых промежутков с резко неоднородным полем. Это увеличение может быть достиг­нуто помещением в межэлектродное пространство барьеров из твердого изоли­рующего материала. При установке барьера в промежутке "острие - плоскость" (острие - положительное, плоскость - отрицательная) положительные ионы за­держиваются барьером и растекаются по его поверхности, причем распределе­ние положительных зарядов на барьере оказывается тем более равномерным, чем дальше от стержня он установлен (рис. 3.2).

Напряженность поля во внешнем пространстве между объёмным зарядом и противоположным электродом по - прежнему увеличивается, но теперь это повышение напряженности распределяется более или менее равномерно на весь промежуток между барьером и плоскостью и сильного повышения напряжен­ности на поверхности барьера не происходит. Поэтому при положительной по­лярности острия барьер, установленный вблизи от острия, приводит к значи­тельному увеличению разрядного напряжения.

Иначе обстоит дело при отрицательной полярности острия (рис. 3.2). Электроны, двигающиеся от острия, попадая на барьер, теряют свою скорость и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют отрицательные ио­ны, распределяющиеся по поверхности барьера. Таким образом, барьер способ­ствует созданию концентрированного объемного заряда, который при отсутст­вии барьера имел бы меньшую величину (часть электронов доходила бы до плоскости) и был бы сильно рассеян в пространстве. Поэтому если без барьера основную роль играл положительный объемный заряд, уменьшавший напря­женность поля во внешнем пространстве, то при наличии барьера значительную роль начинает играть отрицательный заряд, сконцентрированный на барьере, который увеличивает напряженность поля во внешнем пространстве.

Е_вн- напряженность внешнего поля, E_q+ - напряженность объемного положительного заряда, Е _q. - напряжен­ность объемного отрицательного заряда, Е_рез - результирующая напряженность.

Поэтому следует ожидать, что при отрицательной полярности стержня установленный в средней части промежутка барьер будет уменьшать разрядное напряжение.

При расположении барьера в средней части промежутка разрядные на­пряжения при отрицательной и положительной полярностях близки. В этом случае прочность всего промежутка в значительной мере определяется прочно­стью промежутка между плоскостью и барьером, обладающего относительно однородным полем. При расположении барьера в непосредственной близости от положительного острия его роль уменьшается, так как распределение объем­ных зарядов на барьере делается резко неравномерным, напряженность поля на поверхности барьера оказывается достаточно большой для возникновения ио­низации по другую сторону барьера. Образованные там ионы барьером не за­держиваются и способствуют развитию разряда в глубь промежутка.

Барьер, расположенный в непосредственной близости от острия, т.е. в об­ласти очень сильного поля, уже не способен задержать электроны, которые ле­тят с большой скоростью и проходят сквозь барьер, поэтому значительного объемного заряда на поверхности барьера не создается. Положительные и образованные ионизацией по другую сторону барьера, заряжают его положительно и приводят к еще более сильному уменьшению поля во внешнем пространстве. Поэтому при расположении барьера в непосредственной близости от отрицательного стержня разрядное напряжение может несколько возрасти.

Таким образом, установка барьера у стержня на расстоянии порядка (0,25 - 0,3) длины промежутка может очень сильно (более чем в 2 раза) увеличить разрядное напряжение при положительной полярности острия. Барьеры широко используются в высоковольтных конструкциях, работающих как в воздухе, так и в масле (высоковольтные вводы, трансформаторы и др.).

Поле промежутка "шар - плоскость" более однородно, поэтому его пробивное напряжение будет выше, чем у исходного промежутка "стержень- плоскость". С удалением барьера от стержня радиус шара эквивалентного промежутка "шар - плоскость" возрастает, что приводит к увеличению однородное поля и к возрастанию пробивного напряжения. Возрастание пробивного напряжения будет происходит примерно до тех пор, пока поле эквивалентного про­межутка "шар - плоскость" не станет слабо неоднородным, что соответствует S₂/S₁ ≤ 7. При дальнейшем увеличении расстояния S₁, поле эквивалентного про­межутка "шар - плоскость" будет слабо неоднородным, а следовательно, пробивные напряжения будут слабо зависеть от радиуса шара и полярности напря­жения и мало отличаться от пробивного напряжения промежутка с однородным полем длиной S₂. Так как с увеличением расстояния между барьером и стержнем промежуток S₂ уменьшается, то и пробивное напряжение снижается.

Если барьер расположен близко от плоскости, то пробивное напряжение определяется уже не прочностью эквивалентного промежутка "шар - плос­кость", а прочностью промежутка "стержень - барьер", поэтому по мере при­ближения барьера к плоскости его влияние постепенно уменьшается.

Влияние емкости между электродами на развитие разряда при пере­менном напряжении

Если в двух промежутках электроды, имеющие меньший радиус кривизны одинаковы (например, иглы), то начальное и разрядное напряжения будут меньше у того промежутка, емкость между электродами которого больше. На­пример, разрядное напряжение промежутка "игла - плоскость" будет меньше разрядного напряжения промежутка "игла - игла". Действительно, разряд в обоих случаях начинается при определенной напряженности поля вблизи иглы. Напряженность поля определяется плотностью зарядов на игле. Очевидно, что в промежутке с большой емкостью та же плотность зарядов на игле, а следова­тельно, и та же напряженность поля будут достигнуты при меньшем напряже­нии.