Разряд в коротких промежутках

Уровни изоляции электрооборудования

Под уровнем изоляции понимают значения испытательных напряжений, которые эти элементы сетей выдерживают без повреждения. Испытательные напряжения, в свою очередь, выбирают исходя из тех воздействующих перенапряжений, которым подвергаются элементы сети в процессе эксплуатации.

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействием рабочего напряжения. Среднее междуфазное напряжение установки называется номинальным напряжением. Шкала номинальных напряжений линий электропередачи и оборудования приведена в табл. 1. В эксплуатации напряжения отличаются от номинального вследствие падений напряжений на элементах установки, вызываемыми проходящими токами, и регулирования напряжения источников. Наибольшее рабочее напряжение в любой точке системы не должно превышать значений, указанных в табл. 1.

Таблица 1 - Номинальные и рабочие напряжения электрических сетей.

Местные распределительные сети (воздушные и кабельные) рассчитаны на напряжение до 35 кВ. Средние напряжения 110…220 кВ используются в районных сетях, по которым передаются мощности на расстояния от нескольких десятков до 100…150 км. Диапазон напряжений 330 кВ и выше относится к сверхвысоким напряжениям (СВН) и электрическая энергия передается пфо ним на расстояния до 1000 км.

Допустимые рабочие напряжения на изоляции линий рассчитываются, исходя из условия загрязнения воздуха в районе прохождения линии. Допустимые рабочие напряжения на линиях ограничиваются также допустимыми потерями на корону и уровнем радиопомех при коронировании.

Таким образом, на изоляцию электроустановок действуют: рабочее напряжение, длительные повышения напряжения, импульсы внутренних и грозовых перенапряжений

Перенапряжение — любое увеличение напряжённости электрического поля, в какой-либо части установки или линии электропередачи, достигающее величины, опасной для состояния изоляции установки. Перенапряжение представляет также опасность для людей, находящихся во время перенапряжения в непосредственной близости от установки или линии Причины перенапряжения Некоторые виды перенапряжения являются неизбежными при эксплуатации линий, так как следуют из свойств линии и природы проистекающих в них процессов. К причинам перенапряжения можно отнести Внутреннего происхождения: Заземление линии. Зануление линии. Изменение нагрузки. Включение и выключение линии. В частности, автоматическое повторное включение. Перемещающиеся (неустойчивые) дуговые короткие замыкания на линии. Резонанс и феррорезонанс в сети (например, при смещении и колебании нейтрали трехфазной системы) Внешнего происхождения: Атмосферное электричество. Молния. Шаровая молния.

При заземлении одной фазы на землю симметрия фазных напряжений нарушается и поэтому способ заземления нейтрали оказывает существенное влияние на электрический режим системы, то есть на уровни напряжений фаз относительно земли, токи в месте замыкания и другие электрические величины. Эти факторы оказывают влияние на надежность электроснабжения потребителей, на требуемые уровни электрической прочности изоляции фаз относительно земли, на выполнение защиты от перенапряжений и на способы выполнения релейной защиты. Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью сопровождаются переходными процессами, возникающими в момент появления замыкания и в момент отключения поврежденного участка (процесс восстановления напряжения в сети) Отмеченные переходные процессы обеспечивают значительную часть ложных срабатываний устройств защиты от замыканий на землю в сетях с полностью изолированной нейтралью.

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий электропередачи (ЛЭП), шинами распределительных устройств (РУ), наружными токоведущими частями электрических аппаратов и т.д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет атмосферный воздух. Изолируемые электроды располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или заземленных частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов. Важной особенностью внешней изоляции является ее способность восстанавливать свою электрическую прочность после устранения причины пробоя. Однако электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки. К внутренней изоляции относится изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, конденсаторов, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии, т.е. изоляция герметически изолированная от воздействия окружающей среды корпусом, оболочкой, баком и т.д. Внутренняя изоляция как правило представляет собой комбинацию различных диэлектриков (жидких и твердых, газообразных и твердых). Особенностью внутренней изоляции эл. Оборуд. является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. Может произойти чрезмерный нагрев изоляции, который приведет к ее тепловому пробою. Под действием частичных разрядов, возникающих в газовых включениях, изоляция разрушается и загрязняется продуктами разложения.

Координация изоляции — это согласование уровня изоляции (электрической прочности изоляции) электрооборудования с напряжениями, которые могут возникать на его зажимах в эксплуатации. При этом согласовании следует учитывать расходы на мероприятия по ограничению перенапряжений до того или иного уровня, зависимость стоимости электрооборудования от уровня его изоляции, убытки, вызываемые перерывами в электроснабжении или повреждением электрооборудования и т. д. В идеале координация изоляции должна основываться на всесторонних данных о воздействующих на электрооборудование перенапряжениях, электрической прочности изоляции и экономических факторах с учетом статистического характера распределения перенапряжений и выдерживаемого изоляцией напряжения. Существующий метод координации изоляции является лишь приближением к указанному идеальному, так как многие из используемых данных неполны или ориентировочны. При разработке норм для электрооборудования сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше) начальная стадия координации изоляции состояла в исследовании технических возможностей ограничения перенапряжений на основе совершенствования схем и методов защиты, а также возможностей создания электрооборудования с требуемыми параметрами, в определении размеров воздушных промежутков, необходимых при том или другом выдерживаемом напряжении и т. п.

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ(О. и.) в газах атомы или молекулы газа, захватившие добавочный электрон. Атомный О. и. представляет собой связанное состояние атома и электрона; по своей структуре как система, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов, О. и. подобен атому. Однако, в отличие от атома, в О. и. взаимодействие валентного электрона с атомом короткодействующее; поэтому число связанных состояний О. и. чаще всего одно, в то время как атом обладает бесконечным числом связанных состояний. Под рекомбинацие заряж частиц поним столкновен носителей противоположн знака, приводящее к их взаимной нейрализации. Если оба носителя ионы, то рекомбинац наз ион-ионной, если же один из них электрон, то электрон-ионной. Рекомбинация заряженных частиц определяет ионный состав, степень ионизации и характер распада низкотемпературной плазмы. Процессы такого рода имеют огромную важность в атмосфере, газоразрядной плазме, молекулярных лазерах, лампах высокого давления, плазмохимических технологиях и пр. Превалирующий химический механизм рекомбинации определется температурой и давлением в плазме и ее ионным составом.

Физическое состояние газа зависит от основных параметров давления, температуры и объема, которые в процессе транспортирования и хранения газа могут изменяться. Эти параметры взаимосвязаны следующими газовыми законами.

В нормальном неионизированном состоянии газы являются почти идеальными диэлектриками. Это состояние нарушается при напряженности поля, при котором в газе под действием сил поля возникает интенсивная ионизация – газовый разряд. При газовом разряде резко возрастает ток, стекающий с электродов. Этот ток есть ток конвекции, обусловленный движением заряженных частиц между электродами. Чтобы описать газовый разряд, необходимо понять условия возникновения, движения и исчезновения заряженных частиц в электрическом поле.

Газы различаются структурой молекул и атомов; различным может быть также физическое состояние газов – давление и температура. Газ находится при нормальных атмосферных условиях, если его давление р₀ = 760 мм рт. ст., а температура t = 20° С. Нормальным атмосферным условиям соответствует нормальная плотность газа, принимаемая за относительную единицу. Относительная плотность газа d при давлении р и абсолютной температуре Т, отличающихся от нормальных, вычисляется по формуле:

.

В этой формуле р измеряется в миллиметрах ртутного столба (р₀ = 760 мм рт. ст.) и Т – в градусах Кельвина (Т = 273 + t ° C).

Давление воздуха зависит от высоты расположения электрической установки над уровнем моря. В среднем можно принять, что на уровне моря давление р равно 760 мм рт. ст. и падает на 1% на каждые 100 м высоты над уровнем моря.

Следовательно, ,

где h – высота над уровнем моря.

Иониза́ция — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул. Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии. Газы по большей мере состоят из нейтральных молекул. Однако если часть молекул газов ионизируется, газ проводит электрический ток. Есть два основных способа ионизации в газах: Термическая ионизация — ионизация, при которой необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения между атомами вследствие повышения температуры; Ионизация электрическим полем — ионизация вследствие повышения значения напряжения внутреннего электрического поля выше предельного значения. Из этого следует отрыв электронов от атомов газа.

Коэффициент ударной ионизации Этот коэффициент является самой важной характеристикой, используемой в теории газового разряда и определяющей основную реакцию, приводящую к развитию разряда. Ударная ионизация может быть представлена реакцией вида e + M → M+ + 2e, где M – атом или молекула газа. Коэффициент ударной ионизации равен числу актов ионизации, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля. Энергия ионизации – Wи, для большинства газов составляет 12-20 эВ: Коэффициент ударной ионизации, обозначаемый обычно α и называемый еще первым коэффициентом ударной ионизации Таунсенда, определяется по увеличению тока в промежутке между электродами в результате ионизации молекул газа при столкновениях с электронами.

Если напряженность поля достаточно велика, то свободный электрон, летя к аноду и встречаясь с атомом газа, произведет первое ионизирующее столкновение. В результате появится еще один свободный электрон, который также будет производить ударную ионизацию. Этот постепенно усиливающийся поток электронов называется лавиной электронов, созданной одним начальным электроном. Электронная лавина экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами. Возникновение лавины это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины на катоде снова появился электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

Разряд в коротких промежутках

Стадии развития разряда в искровом промежутке при атмосферном давлении в воздухе можно проанализировать по вольтамперной характеристике газового разряда (рис.9).

Рис.9. Вольтамперная характеристика газового разряда

При возрастании напряжения от нуля до UА (участок ОА) имеет место закон Ома (убыль концентрации зарядов между электродами восполняется за счет ионизации частиц в пространстве между электродами).

При дальнейшем повышении напряжения рост плотности тока замедляется и при UB (точка В) совсем прекращается, что связано с неизменной плотностью тока насыщения.

При напряжении UC (точка С) начинается ускоренное нарастание тока вплоть до точки D (до UD). На участке CD вольтамперная характеристика (ВАХ) напряженности поля между электродами становится достаточной для ударной ионизации. Участок ОАВС (ВАХ) соответствует несамостоятельной форме разряда или темной (таунсендовской) области разряда. Для поддержания несамостоятельной формы разряда необходимо наличие внешнего ионизатора, все время создающего новые электроны и ионы.

Часть ВАХ участка CD представляет переходную стадию от несамостоятельного разряда к самостоятельному, который возникает на участке DEFG. На этом участке уже не требуется внешний ионизатор. Разряд развивается под действием сил электрического поля.

Участок DEF соответствует форме коронного (или тлеющего) разряда, а участок FG – дуговому разряду. Дуговой разряд имеет большую плотность тока и поддерживается процессами ударной ионизации, а также термической ионизацией за счет высокой температуры в канале дуги.

Самостоятельный разряд может быть стационарным (коронный, дуговой) и нестационарным (искровой).

(Концентрация ионов над сушей оценивается в среднем числами N+» 750 ионов в см3, N–» 650 ионов в см3. Эти ионы обеспечивают среднюю проводимость воздуха).

Пробивное напряжение газа в однородном поле меняется в зависимости от частоты, особенно при радиочастотах. При небольших частотах амплитудное значение пробивного напряжения совпадает со значением пробивного напряжения при постоянном токе; при более высоких частотах пробивное напряжение несколько уменьшается и доходит до минимума при частоте около, после чего вновь возрастает и достигает значений, превосходящих пробивное напряжение при постоянном токе более чем на 1,5 раза. Уменьшение пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажением поля, обусловленным образованием объемных зарядов в газе вследствие различной подвижности положительных ионов и электронов. Ионизация газа и прорастание электронных лавин происходит лишь в те промежутки времени, когда мгновенное значение напряжения превосходит порог ионизации.

Закон Пашена, назван в честь Фридриха Пашена, сформулировавшего этот закон в 1889 году Де Ля Рю и Мюллер (De La Rue and Muller) первыми обнаружили зависимость пробойного напряжения U от произведения давления газа p и расстояния между электродами L. Однако их результаты не были замечены и процитированы в работе Пашена. Пашен исследовал зажигание разряда постоянного тока между сферическими электродами, изменяя расстояние L между ними. Он показал, что пробойное напряжение U зависит только от произведения pL, а не отдельно от давления p и зазора L. Этот закон широко известен как закон Пашена. В соответствии с законом, наименьшее напряжение зажигания газового разряда между двумя плоскими электродами (в однородном электрическом поле) есть величина постоянная (и характерная для данного газа) при одинаковых значениях pL. Закон Пашена означает, что кривые зажигания U(p), измеренные для различных расстояний между электродами L, должны наложиться друг на друга, если их построить как функцию U(pL). При выполнении закона Пашена напряжение в минимуме кривой зажигания, а также произведение pL должны сохраняться неизменными, постоянными. Зависимость пробивного напряжения и пробивной напряженности от плотности газа и расстояния между электродами

Коронный разряд в резконеоднородном поле Резконеоднородное поле появляется в газовых промежутках с электродами в виде стержень – плоскость, провод – провод, провод – земля и т. п. В таких промежутках наибольшая напряженность поля появляется у электрода с малым радиусом кривизны. Если в этой области напряженность поля достигнет критического значения, при котором выполняется условие самостоятельности разряда по выражению (1.4), то возникает особая форма разряда, называемая коронным разрядом. Возникновение коронного разряда вблизи острого электрода не означает пробоя всего газового промежутка, так как в остальной части промежутка напряженность поля меньше критического значения. В зоне ионизации вначале возникает лавинная форма коронного разряда в виде светящегося ореола у стержня. С увеличением напряженности поля плотность лавин настолько возрастает, что фотоны, излучаемые лавинами, приобретают энергию, достаточную для осуществления фотоионизации газа в области головки лавины. Образуются новые лавины, впереди породивших их начальных лавин. И таким образом последовательно увеличивается число лавин. В итоге появляется тонкий проводящий канал, заполненный плазмой, который называется стримером, а сама форма разряда – стримерной формой коронного разряда. Стримеры хаотично вырываются из чехла короны, но не распространяются дальше границы зоны ионизации промежутка.

Пробивное напряжение газа в резконеоднородном поле С дальнейшим ростом напряжения зона ионизации газа расширяется и длина стримеров возрастает. При этом сокращается расстояние между головкой стримера и противоположным электродом (рис. 1.3). В результате увеличивается емкость указанного промежутка, а значит – и емкостной ток, проходящий по каналу стримера

Рис.. Стримерно-лидерная фаза разряда газа в неоднородном поле Емкостной ток стримера настолько возрастает, что разогревает его канал до температуры свыше 3000 С, достаточной для термоионизации газа, соприкасающегося с каналом лидера. При этом толщина стримера возрастает, его сопротивление уменьшается, и напряженность поля на его головке резко увеличивается. Такой термоионизированный стример называется лидером. Лидер как бы является продолжением коронирующего электрода, и он быстро увеличивается в длине, сокращая расстояние до противоположного электрода. При этом очень малом расстоянии напряженность поля данного промежутка настолько возрастает, что на противоположном электроде возникает автоэлектронная эмиссия, и газ в этом промежутке мгновенно превращается в плазму с большой концентрацией заряженных частиц. Этот процесс называется главным или обратным разрядом, поскольку он движется в обратном направлении по каналу лидера. Образование стримеров и превращение одного из них в лидер, на головке которого напряженность поля достигает очень больших величин, приводит к тому, что пробивное напряжение газа промежутка с резконеоднородным полем существенно меньше (в 4–5 раз), чем в однородном поле при прочих равных условиях.