Разряд в воздухе вдоль поверхности изоляторов

Установки для получения высоких переменных напряжений

Для получения высоких переменных напряжений применяются од-

нофазные высоковольтные испытательные трансформаторы на напряжение до Uн = 1200 кВ. На большие напряжения используют каскадное соединение трансформаторов (Uн = 2200 кВ и более).

Особенностью испытательных трансформаторов являются:

1) кратковременность работы;

2) отсутствие атмосферных перенапряжений;

3) наличие бросков тока и резких спадов напряжения при пробоях и

перекрытиях испытуемых объектов.

Как правило, между обмотками низкого (2) и высокого (3) напряжений (рис. 2.1) расположен медный разрезанный экран 4, соединенный с баком трансформатора. Экран предназначен для защиты обмотки низ-

кого напряжения от наведения высоких потенциалов при резких изме-

нениях напряжения со стороны высоковольтной обмотки.

На напряжение более 1000 кВ применяется каскадное включение

трансформаторов. Каскады трансформаторов обычно состоят из 2–3 высоковольтных испытательных трансформаторов, соединенных последовательно (см. рис. 2.2). Поскольку один вывод обмотки трансформатора соединен с корпусом, то корпус каждого последующего трансформатора находится под высоким напряжением предыдущего трансформатора. Следовательно, все последующие трансформаторы, кроме первого, должны быть изолированы от земли и друг от друга.

 

Рис. 2. Конструкция однофазного трансформатора:

1 – магнитопровод; 2 – обмотка низкого напряжения;

3 – обмотка высокого напряжения; 4 – экран медный;

5 – барьер электроизоляционный; 6 – шайбы электроизоляционные

Рис. 3. Упрощенная схема соединения каскада трансформаторов:

1–3 – высоковольтные трансформаторы; 4 – опорные изоляторы

Напряжение на выходе каскада, состоящего из n последовательно

включенных трансформаторов:

где U2 – напряжение на выходе первого трансформатора.

Каскадный генератор постоянного тока

Получение высоких напряжений постоянного тока в сотни и тысячи киловольт возможно с помощью схем выпрямления и умножения выпрямленных высоких напряжений (каскадный генератор). Схема каскадного генератора постоянного тока состоит из схем удвоения напряжения, соединенных в многократной последовательности.

Напряжение на выходе каскадного генератора равно

где n – число ступеней (схем удвоения) в каскаде; Um – амплитудное значение питающего трансформатора.

 

 

Распределение напряжения вдоль обмоток трехфазного

Трансформатора

Импульсные перенапряжения воздействуют на трансформатор, как

правило, со стороны высокого напряжения. При этом волна перенапря-

жения может приходить как с ВЛ, так и по кабельной вставке. Распре-

деление напряжения по обмотке трехфазного трансформатора зависит:

• от схемы соединения обмоток;

• режима нейтрали.

Обмотки трансформатора с высокой стороны для импульсного воздействия нагружены на воздушную ЛЭП или на кабель. Волновое сопротивление воздушной линии в зависимости от конструкции и класса напряжения составляет ZЛ = 250…500 Ом. Волновое сопротивление кабеля ZК = 50…100 или 100…150 Ом. Волновое сопротивление обмоток трансформатора ZТ = 10 000 Ом, т. е. трансформатор нагружен на малое сопротивление по сравнению с собственным. Для упрощения можно представить, что обмотки, по которым не приходят волны перенапряжения, закорочены. 

Разряд в воздухе вдоль поверхности изоляторов

Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и раз-

витие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции

(на рис. 1 а) силовые линии электрического поля параллельны по-

верхности диэлектрика и поле однородно. В конструкции (на

рис. 1 б) поле неоднородно и тангенциальная составляющая на-

пряженности поля на поверхности диэлектрика Еτ преобладает над нормальной составляющей En. В конструкции (на рис. 1 в) поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных условиях, но удобна при выявлении влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда, вторая и третья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).

Рис. 1. Характерные конструкции воздушных

промежутков с твердым диэлектриком

В изоляционной конструкции (см. рис. 1, а) электрическая проч-

ность промежутка с диэлектриком меньше, чем прочность чисто воздушного промежутка. Это связано с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом. Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка – ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик.

Например, стекло является более гигроскопичным материалом, чем

глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика в 3–4 раза больше, чем воздуха). Увеличение напряженности поля к микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком стремятся использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов, защищающие диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазуровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные проводящие прокладки.

В изоляционной конструкции (см. рис. 1, б) поле неоднородное,

следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис. 1, а, но оно слабее выражено, т. к. электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик.

Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной

изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Всe сказанное справедливо и для конструкции на рис. 1, в.

Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем конструкция на рис. 1, б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциальной составляющей поля. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную составляющую, называют каналом скользящего разряда.

Проводимость канала скользящего разряда значительно больше

проводимости канала стримера, поэтому падение напряжения в канале скользящего разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка – больше, чем в каналах стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами. Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь, ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда

где χ1 – коэффициент, определяемый опытным путем; С – удельная поверхностная емкость (емкость поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд относительно противоположного элек-трода;U – приложенное напряжение. Из формулы, при подстановке вместо lск расстояния между электродами по поверхности диэлектрика L, можно определить значение напряжения UP, необходимого для перекрытия изолятора. Если же принять

 где d – толщина диэлектрика, а площадь S принята равной 1 см2,  и считать значение

 постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, из формулы получим выражение для нахождения разрядного напряжения

 

которое называется формула Теплера.

Из формулы Теплера следует, что рост длины изолятора дает отно-

сительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого можно ожидать развития разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений.

При постоянном напряжении удельная поверхностная емкость

практически не влияет на развитие разряда и значение разрядного напряжения оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка.