Высоковольтного электрооборудования

Лекция 1.

ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ

ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

В низковольтных установках в подавляющем большинстве случаев изоляционные расстояния определяются механическими соображениями, то есть возможностью выдерживать механические нагрузки или исключением возможного соприкосновения токоведущих частей между собой.

В высоковольтных установках на первое место выходит проблема возможных повреждений изоляции из-за большого напряжения приложенного к ней.

Изоляция электроустановок высокого напряжения разделяется:

- на внешнюю

(воздух и все, что находится в воздухе)

- и внутреннюю

(эта изоляция отделена от окружающей среды корпусами и может быть газообразной, жидкой, твердой, комбинированной).

Основные понятия и определения

Электрическим пробоем изоляции называют явление потери изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением на изоляции критического значения - пробивное (разрядное) напряжение изоляции U_np.

Электрической прочностью диэлектрика Е_пр называют среднее значение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке непосредственно перед пробоем:

S- расстояние между электродами.

ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ И РАЗРЯД В ГАЗАХ

Естественная воздушная изоляция используется на ВЛ, на подстанциях и вообще во всех высоковольтных установках, токопроводящие элементы которых выходят в атмосферу.

Электрическая прочность воздуха при нормальных условиях относительно невелика: при расстояниях между электродами более 1 см она не превосходит 25-30 кВ/см, (в 10-30 раз меньше, чем у твердых диэлектриков).

Электрическая прочность воздушного промежутка существенно зависит от формы электродов, расстояния между электродами, метеорологических условий и скорости нарастания напряжения.

По степени однородности электрического поля, зависящей от формы электродов, различают два вида изоляционных промежутков:

• изоляционные промежутки с однородным и слабонеоднородным электрическим полем (СНП);

• изоляционные промежутки с резконеоднородным электрическим полем (РНП).

Количественной характеристикой степени однородности поля является коэффициент неоднородности

k_н=E_max / E_ср ,

где E_max, E_ср - максимальное и среднее значение напряженности электрического поля в изоляционном промежутке, соответственно.

Промежутки с однородным и СНП ( k_н < 2 ):

а) – однородное (плоскость - плоскость с закругленными краями);

б) слабонеоднородное (шар - шар, если радиусы шаров больше расстояния между их поверхностями).

Промежутки с РНП ( k_н >3..4):

в) стержень (игла) - плоскость;

г) стержень (игла) – стержень(игла).

Свободные первичные электроны дают начало лавине электронов. После достижения лавиной анода процесс может прекратиться, особенно при небольшой длине промежутка.

Эффект полярности

В резко неоднородном электрическом поле начальное напряжение соответствует напряжению возникновения коронного разряда, а разрядное напряжение выше. При этом на величину разрядного напряжения существенное влияние оказывает полярность электродов.

При постепенном увеличении напряжения, приложенного к промежутку игла - плоскость, ударная ионизация возникает вблизи иглы, где напряженность электрического поля наибольшая. В результате ионизации в области ионизации возникает большое количество свободных электронов и положительных ионов.

При положительной игле и отрицательной плоскости электроны, обладающие большой подвижностью, мгновенно уходят к положительной игле и нейтрализуются на ней. Малоподвижные положительные ионы образуют в промежутке объемный положительный заряд.

Напряженность поля, созданная зарядами на электродах (внешним источником) Е, направлена от иглы к плоскости. Положительный объемный заряд создает свое поле напряженностью Е_об. Вблизи иглы напряженностьэлектрического поля положительного объёмного заряда направлена навстречу напряженности поля внешнего источника, чтоприводит к уменьшению результирующей напряженности электрического поля Е_рез в этой части промежутка. В остальной части промежутка напряженностьэлектрического поля положительного объёмного заряда совпадает по направлению с напряженностью поля внешнего источника, чтоприводит к увеличению результирующей напряженности электрического поля.

При таком распределении напряженностей поля затрудняется образование видимой короны на конце иглы, а развитие процесса ионизации в сторону плоскости происходит довольно легко, так как напряженность поля Е_рез здесь повышенная. Поэтому пробой промежутка происходит при относительно невысоком напряжении.

Электроны, возникшие в результате ударной ионизации вблизи иглы, передвигаются к плоскости. Однако, уйдя из области большой напряженности поля, электроны теряют свою скорость, значительная их часть захватывается молекулами кислорода, в результате чего образуются малоподвижные отрицательные ионы, рассеянные в пространстве. Менее подвижные положительные ионы образуют вблизи иглы положительный объёмный заряд

При такой полярности электродов напряженность поля, создаваемого положительным объёмным зарядом, усиливает напряженность поля внешнего источника вблизи иглы и ослабляет её в остальной части промежутка.

Это приводит к образованию видимой короны уже при небольшом приложенном напряжении, а развитие процесса ионизации в направлении плоскости затруднено, так как напряженность поля в основном промежутке значительно снижается. Поэтому пробивное напряжение увеличивается по сравнению с промежутком положительная игла – отрицательная плоскость в 2 - 2,5 раза.

Барьерный эффект

На барьере в этом случае появляется концентрированный отрицательный заряд, увеличивающий напряженность поля не только между положительным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внешнем пространстве.

При расположении барьера в непосредственной близости от положительного острия роль его уменьшается вследствие резкой неравномерности распределения зарядов на барьере. Напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы ионизационные процессы проходили но другую сторону барьера.

Пробой газового промежутка

При импульсном напряжении.

При воздействии на изоляцию импульсного напряжения разряд происходит при напряжениях более высоких, чем при постоянном или амплитуде переменного напряжения низкой частоты, т.е. длительно приложенном напряжении.

Разрядное напряжение при достаточно длительном его приложении называют статическим разрядным напряжением U_ст.

При каждом значении максимального напряжения импульса производится серия опытов. В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная характеристика получается в виде области точек, для которой указываются средняя кривая и границы разброса времени разряда.

Вольт-секундные характеристики имеют особое значение в вопросах защиты оборудования от перенапряжений (координации изоляции высоковольтного оборудования), когда защитными элементами служат искровые промежутки, вентильные и трубчатые разрядники, включаемые параллельно защищаемому объекту.

Лекция 1.

ВНЕШНЯЯ ИЗОЛЯЦИЯ

ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ