Конспект лекцій 4 страница

У каналі лідера великими є густина струму і число носіїв. Вирішальна умова розвитку лідера – підведення енергії за рахунок лідерного струму I_л для підтримки температури термоіонізації в каналі розряду (рис.4.6).

Рис.4.6.- Схема утворення головного розряду

У проміжку стрижень-площина з відстанню між електродами L £ 1 м при усіх видах напруг (постійна і змінна, комутаційних і грозових) виникає тільки стримерний пробій. Стример проходить проміжок раніше, ніж розів'ється лідер. При великих L зберігається чисто стримерний розряд тільки при грозовому імпульсі (1,2/50 мкс) і постійній напрузі тому, що при імпульсній напрузі часу впливу недостатньо для утворення лідера. При постійній напрузі утруднене утворення лідера тому, що виникне стримерний розряд. При грозових імпульсах наскрізна фаза виникає практично миттєво.

Якщо форма електродів: стрижень-площина з відстанню L > 1м, то при комутаційному імпульсі і змінній напрузі утворюється лідер, що приводить до пробою проміжку. Напруженість електричного поля, при який відбувається формування лідера, ~ 4¸5 кВ/см. Величина розрядної напруги при цьому може бути розрахована за формулою

, (4.2)

де l_л – довжина лідера; l_зі – довжина зони іонізації; Е_л – середня напруженість поля в каналі лідера; Е_зі = 5 кВ/см (середня напруженість в стримерній зоні). Можливість утворення лідера пов'язана з розвитком стримерної зони до критичної величини l _кр, при досягненні якої, через основний канал проходить струм, достатній для розігріву каналу і переходу його в лідер. При грозових імпульсах довжина зони іонізації (стримерної зони) практично дорівнює міжелектродній відстані L, і тоді 50% розрядна напруга довгих проміжків може бути визначена як

, (тут U_p –в кВ, L – в см). (4.3)

Для оцінки розрядних напруг довгих повітряних проміжків необхідно визначити в момент встановлення наскрізної фази довжину зони іонізації l_зі і початкову напруженість в каналі лідера Е_пл. Експериментально отримані значення l_зі подані на графіку рис.4.7.

Рис.4.7.- Залежність довжини стримерної зони від відстані між електродами: (стрижень-площина).

Ця залежність описується емпіричним рівнянням

, (4.4)

де а ₀ – константа (а ₀ = 1,5 – для проміжку провід-площина);

l_c – довжина стримерної зони.

Залежність середніх поздовжніх напругжень у лідері від його довжини:

, (4.5)

де l_л = L – l_{c ,} = 1,5 кВ/см – початкова напруженість у каналі лідера. Звідкі одержуємо вираз для розрахунку 50%-них розрядних напруг довгих повітряних проміжків в області мінімуму ВСХ:

- формула Лемке, (4.6)

де Е_с – середня напруженість у стримерній зоні.

4.3. Характеристика грозових перенапруг

Джерелом грозових перенапруг є блискавка, що являє собою електричний розряд між двома хмарами або між хмарою і землею. Блискавка виникає завдяки нагромадженню і розподілу зарядів у грозових хмарах внаслідок існування висхідних потоків. Краплі води, що випаровуються з поверхні водойм, конденсуються у хмарах і замерзають в зоні низьких температур. Замерзання починається з поверхні краплини і позитивні іони під дією різниці температур пересуваються в поверхневий шар, заряджаючи його позитивно. Рідка серцевина при цьому набуває негативного заряду. Коли замерзає серцевина, поверхня краплини лопається, осколки піднімаються вгору і заряджають верхню частину хмари позитивно. Нижня частина хмари виявляється зарядженою негативним потенціалом. При збільшенні концентрації негативних зарядів в нижній частині хмари зростає напруженість електричного поля і після досягнення критичної величини (~24 кВ/см) починається іонізація повітря і формування розряду.

На початковій стадії блискавка являє собою слабко світний канал (лідер), який повільно, зі швидкістю 1,5×10⁵ м/с рухається в напрямку до землі. Заряди хмари і лідера індукують на поверхні землі заряди протилежного знака. З наближенням лідера до землі напруженість електричного поля землі зростає і з неї можуть розвиватися зустрічні лідери. Сила струму в лідерній стадії блискавки досягає сотень ампер. На відстанях 25¸100 м між ними виникає висока напруженість і проміжок за декілька мікросекунд пробивається з виділенням енергії ~0,5¸5 МДж, яка витрачається на нагрівання і термоіонізацію. Провідність каналу різко зростає і зона підвищеної напруженості переміщується до хмари зі швидкістю ~0,5 швидкості світла. Струм у каналі досягає десятків і сотень тисяч ампер за 5¸10 мкс. Протягом короткого часу канал розігрівається до 20¸30 тисяч градусів Цельсія, швидко розширюється, що викликає утворення ударної хвилі (грім). Середня тривалість удару блискавки не перевищує 0,1с. При цьому відбувається нейтралізація заряду лідера. Цей процес називається головним розрядом і супроводжується сильним світінням каналу розряду.

Заряд і тривалість негативної блискавки, як правило, менша, ніж позитивної. Особливістю спадаючих негативних блискавок є багаторазові розряди внаслідок того, що через 10¸100 мс по іонізованому каналу першого розряду знову розвивається повторний лідер до землі зі значно більшою швидкістю. Це так званий стріловидний лідер. У більшості випадків блискавка складається з двох – трьох розрядів, але зареєстровано в одній блискавці до 40 розрядів.

Грозовий розряд здатний викликати різні пошкодження об'єктів. Основним вражаючим фактором є струм блискавки, величина якого визначається еквівалентним хвильовим опором каналу розряду Z а також опором заземлення R. Статистика спостережень свідчить, що величина струму блискавки є випадковою величиною, але підлягає закону нормального розподілу і знаходиться в межах від 10 до 300 кА.

Іншим за значенням вражаючим фактором, що визначає індуктоване падіння напруги в провідниках і індуковані напруги в магнітно-зв'язаних ланцюгах, –є крутість фронту струму блискавки: а = di_б /dt, величина якої також підлягає закону нормального розподілу. Але для оціночних розрахунків можна використовувати усереднені значення розподілу струму й крутості імпульсу блискавки, що апроксимуються наступними експоненційними функціями:

P (I_б) = exp (-0,04∙ I_б); (4.7)

P (a) = exp (-0,08∙ a). (4.8)

Заряд, що переноситься струмом блискавки, має теплову й електродинамічну дію. Енергія, що виділяється в опорній ділянці блискавки, пропорційна миттєвому значенню струму, який витрачається на нагрівання і плавлення металу в цьому місці. Інтеграл квадрату струму блискавки визначає електродинамічну дію та нагрівання струмопроводів при проходженні струму блискавки через уражений об'єкт. Блискавка крім первинної дії, що проявляється у вигляді теплового та механічного руйнування уражених об’єктів, може мати також вторинні небезпечні наслідки. Вони пов’язані з виникненням електрорушійних сил завдяки електростатичним та електромагнітнім полям каналу блискавки, які спроможні наводити дуже високі потенціали на металевих конструкціях, трубопроводах, проводах обладнання, внаслідок чого можуть виникати вторинні розряди на землю. Можливо занесення потенціалу блискавки в споруди через наземні й підземні комунікації і враження персоналу.

4.4.Характеристики грозової діяльності.

Атмосферними перенапругами називають перенапруги, що виникають на струмоведучих частинах електроустаткування в результаті атмосферних електричних розрядів, які перевищують U_доп. Джерелом перенапруги є блискавка. При розробці грозозахисних заходів необхідно враховувати такі параметри: амплітуду струму блискавки, крутість імпульсів, частоту ураження об'єктів, що визначаються числом грозових днів у році N_г.д. для даного району (для Харкова – це 40 г.д.). Вихідною величиною є число грозових годин у році N_г.г.: N_г.г. = 1,5× N_г.д.

Підвищені об'єкти через зустрічних лідерів збирають блискавки з більшої площі. Число ударів блискавки за 100 грозових годин у споруду довжиною А, шириною В, висотою Н дорівнює:

. (4.9)

Число ударів блискавки в 100 км повітряної ЛЕП за 100 грозових годин:

, (4.10)

де – середня висота підвісу тросу або проводу, м;

h_оп – висота опори; f – стріла прогину проводу.

Річне число ударів блискавки у лінію довжиною l при числі грозових годин у році N_г:

. (4.11)

Запитання для самоконтролю

1.Назвіть параметри стандартного грозового імпульсу.

2. З яких складових формується термін розряду?

3.Що таке «вольт-секундна» характеристика (ВСХ) ізоляції?

4.Як залежить ВСХ ізоляції від однорідності електричного поля?

5.Дайте визначення поняттю «коефіцієнт імпульсу»?

6.Який механізм утворення лідерного каналу розряду?

7.Який механізм формування головного розряду?

8.Наведіть гіпотезу формування зарядів блискавки.

9.Прокоментуйте формулу Лемке щодо напруги розряду.

10.Назвіть уражаючі фактори грозового розряду.

РОЗДІЛ 5

РОЗРЯДИ ВЗДОВЖ ПОВЕРХНІ ТВЕРДИХ ІЗОЛЯТОРІВ

5.Вплив поверхні твердого діелектрика на розвиток розряду.

Рис.5.1.- Характерні види електричних полів ізоляторів різних конструкцій: 1,2 – опорні; 3- прохідний.

Перший (1) і другий (2) варіанти – моделюють опорні ізолятори. Для варіанта (1) переважає тангенційна (дотична до поверхні) складова напруженості поля, яке є відносно однорідним. Тут корона відсутня і значення розрядної напруги досить високе. Але без діелектрика електрична міцність більша, тому що наявність його спотворює поле, а поверхня абсорбує вологу і бруд, які сприяють розвитку розряду. Під дією електричного поля молекули води дисоціюють на іони, які переміщуються до електродів, збільшуючи напруженість поблизу електродів. Наявність мікрозазорів між діелектриком і електродом також збільшує напруженість в них поля завдяки різниці діелектричних проникностей повітря і твердого діелектрика. Збільшення напруженості в мікрозазорах призводить до виникнення там іонізаційних процесів з утворенням електронів і іонів, які зменшують напругу перекриття міжелектродного проміжку.

Розряд по лінії розділу напруженості (повітря-фарфор, мастило-папір) та ін. називається поверхневим (ковзним) розрядом. Ковзний розряд поблизу поверхні (1) розвивається без істотної взаємодії з нею, тому вид ізоляції мало впливає на величину розрядної напруги. Для збільшення розрядної напруги ізолятора застосовують малогігроскопічні діелектрики, наприклад, глазурований фарфор. Для запобігання утворення мікрозазорів між діелектриком і електродом використовують еластичні мастики.

У варіанті (2) поле сильно неоднорідне і тангенційна складова напруженості електричного поля на поверхні діелектрика Е_t набагато більша за нормальну складову Е_n. Тому розрядна напруга менша, ніж в однорідному полі. При сильній неоднорідності поля в цій ізоляційній конструкції виникає коронний розряд, який супроводжується утворенням озону й оксидів азоту, які завдають шкоди ізоляції. Особливо небезпечна стримерна форма коронного розряду, яка внаслідок високої температурі канала стримера, може привести до термічного розкладання діелектрика і утворення провідних каналів – треків.

У конструкції (3) електричне поле також неоднорідне і переважає нормальна складова. Наявність великої нормальної складової напруженості електричного поля E_n сприяє зближенню каналу стримера з поверхнею діелектрика, що збільшує імовірність його пошкодження. Тут при розвитку розряду виникає корона біля голівки і фланця ізолятора і електрична міцність ще менша, ніж у варіанті (2). Канали стримерів уздовж поверхні ізолятора мають велику ємність відносно внутрішнього електрода, тому через них проходять великі струми, які стимулюють виникнення термічної іонізації. Термічно іонізовані канали вздовж поверхні ізолятора мають назву каналів ковзного розряду.

Оскільки провідність каналу ковзного розряду значно більша за провідність каналу стримера, то падіння напруги на ньому менше, і вся напруга виявляється прикладеною до непровідної частини міжелектродного проміжку. Це призводить до подовження каналу ковзного розряду і повного перекриття ізолятора.

У загальному випадку (за Теплером) довжина ковзних розрядів l_к залежить від напруги між електродами U, ємності каналу стримера С, зміни напруги в часі:

l_с = А∙С²∙U⁵∙ . (5.1)

Тут А – коефіцієнт, що визначається експериментом; С – питома поверхнева ємність (ємність одиниці поверхні діелектрика).

Рис.5.2.-Залежність поверхневої розрядної напруги від відстані між електродами.

Підставимо у формулу (5.1) замість значення l_ск відстань між електродами по поверхні діелектрика L і знайдемо величину напруги перекриття ізолятора U_p. Прийнявши S, де S- площа поверхні ізоляції, d – товщина діелектрика, – крутизна імпульсу напруги, тоді

∙1/S^0,4 . (5.2)

Звідки випливає, що збільшення довжини ізолятора мало підвищує розрядну напругу, (Рис.5.2). Тому для підвищення U_p прохідних ізоляторів зменшують питому поверхневу ємність за рахунок збільшення діаметра ізоляторів біля фланця, з якого можна чекати розвитку розряду. Необхідно також використовувати матеріали з малою діелектричною проникністю ε, застосовувати напівпровідникові покриття між фланцем і діелектриком. При постійній напрузі питома поверхнева ємність практично не впливає на розвиток розряду і поверхнева розрядна напруга ізолятора наближається до розрядної напруги повітряного проміжку: .

5.1.Розряд по зволоженій і забрудненій поверхні ізоляторів

У промислових районах, що містять багато розчинних і здатних до дисоціації речовин, це обумовлює високу електропровідність шару бруду на поверхні ізоляторів, зволожених конденсованою вологою. При протіканні струму витоку утворення підсушених областей на поверхні ізолятора сильно спотворює поле, в результаті чого виникають часткові дуги, а потім і суцільне перекриття міжелектродного проміжку. Величина мокророзрядної напруги суттєво залежить від геометричної форми ізолятора. Тому ізолятори конструюють так, щоб їх нижні поверхні не змочувалися дощем - це обмежує струм витоку і підвищує мокророзрядну напругу.

Електричну міцність гірлянди ізоляторів під дощем характеризують середньою мокророзрядною напруженістю:

, (5.3)

де Н – висота одного ізолятора гірлянди; n – їхнє число;

U_мр – мокрозарядна напруга гірлянди.

Е_мр – для тарілчастих ізоляторів змінюється від 2 до 2,6 кВ/см в залежно від типу ізоляторів. При комутаційних імпульсах U_мр може бути в 1,5 раза більше, ніж при частоті мережі 50 Гц, що пояснюється короткотерміновим впливом напруги і нетривалим розвитком теплових процесів. При змінній напрузі діюче значення напруги ковзного розряду можна визначити з формули:

(кВ), (5.4)

для плоского діелектрика питома поверхнева ємність:

(Ф/см²), (5.5)

для випадку (3)

, (5.6)

де r ₁, r ₂ – внутрішній і зовнішній діаметри прохідного ізолятора.

5.2. Часткові дуги (розряди)

В умовах експлуатації поверхня ізоляторів забруднюється, а дощ частково змиває бруд. Під дією робочої напруги по зволоженій поверхні протікає струм витоку, що інтенсивно підігріває і підсушує поверхню ізолятора. Оскільки забруднення по поверхні ізолятора розподілене нерівномірно, то густина струму витоку на окремих ділянках поверхні різна і її нагрів відбувається також нерівномірно. Якщо в якійсь частині поверхні провідна плівка випарилася раніше, то в результаті цієїї ділянки поверхні може бути прикладена значна напруга, що викликає так звані часткові (ковзні) дуги з проходженням струму витоку: I_в=U/R_в, тут R_в – опір витоку по поверхні ізолятора. Для циліндричного ізолятора діаметром D опір R_в = ρ L_в/(πΔD). Тоді струм витоку по поверхні ізолятора дорівнює

, (5.7)

де r – питомий об'ємний опір; Δ- товщина шару забруднення; L_в – довжина шляху витоку.

Тобто розрядна напруга ізолятора зростатиме зі збільшенням довжини шляху витоку і зменшенням діаметра ізолятора. Чим меншій струм витоку, тим вища розрядна напруга ізоляторів. Таким чином важливою характеристикою опорної ізоляції є довжина шляху витоку.

Питома довжина шляху витоку λ– це довжина шляху витоку L_вт на 1 кВ прикладеної найбільшої робочої напруги U_нр:

(см/кВ). (5.8)

Кількість підвісних ізоляторів у гірлянді визначають за формулою:

, (5.9)

де l _норм – нормативна питома довжина витоку;

l _норм – для чистої атмосфери = 1,3¸1,9 см/кВ;

l _норм – для забрудненої = 2,25¸4 см/кВ.

Приклад 2. Визначити число ізоляторів у гірлянді для чистої атмосфери l _норм = 1,3 см/кВ; для забрудненої: l _норм = 3 см/кВ.

Для скляних ізоляторів ПС-20-10 ( = 32 см); U = 110 кВ; U_н.р =1,15×110 = 126,5 кВ;

ізол.;

ізол.

5.3.Вибір ізоляторів залежно від зовнішнього середовища.

Визначальним при виборі ізолятора є забезпечення його надійної роботи в умовах туману, роси, дощу в сполученні із забрудненням поверхні. Мокророзрядна напруга ізоляторів залежить від характеристик забрудненого шару (товщини і питомого опору). Вона пропорційна довжині шляху витоку ізолятора , (найменша відстань по поверхні між електродами). Оскільки забруднення нерівномірне і на окремих ділянках розряд може розвиватися в повітрі, то вологорозрядна напруга пропорційна не , а ефективній довжині шляху витоку:

, (5.10)

де k ³ 1 – поправочний коефіцієнт ефективності ізолятора, визначають експериментально. Для підвісних тарілчастих ізоляторів він може бути оцінений за емпіричною формулою:

. (5.11)

Тут D – діаметр ізолятора. Для підвісних ізоляторів k ~ 1 ¸ 1,3.

Важливою характеристикою надійності ізоляторів при робочій напрузі є питома ефективна довжина шляху витоку λ_еф, що нормується для різних умов і напруги U_роб.:

. (5.12)

Для надійної експлуатації при робочій напрузі U_{найб.роб} геометрична довжина шляху витоку L_в ізолятора визначається з умови:

. (5.13)

Тоді число ізоляторів у гірлянді дорівнює:

, (5.14)

де L_в1 - довжина шляху витоку одного ізолятора.

Нормована ефективна довжина шляху витоку забезпечується збільшенням у гірлянді числа ізоляторів або використанням спеціальних брудостійких ізоляторів, що мають сильно розвинуту поверхню. Якщо у звичайних ізоляторах» 28 ¸ 42 см, то у брудостійких » 40 ¸ 57 см.

Основним заходом з підвищення експлуатаційних характеристик ізоляторів в умовах інтенсивного забруднення і зволоження є їх обмив і очищення, а також застосування гідрофобних покриттів. Найменш трудомістким заходом є обмив ізоляторів водою, але не всі види забруднень піддаються такому способу очистки. Гідрофобні покриття у вигляді твердих плівок або в’язких покриттів (кремнійорганічний вазелін КВ-3) дають змогу більш якісно здійснювати чистку й збільшити інтервал між ними. Більш ефективними є в’язкі покриття, оскільки вони не тільки відштовхують вологу, але й поглинають частки бруду, не даючи їм утворювати провідного шару. Звичайно гідрофобні покриття зберігають дієздатність 1,5 – 2 роки.