Конспект лекцій 1 страница

з курсу «Електрофізика та техніка високих напруг»

(для студентів 4 курсу денної і 5 курсу заочної форм навчання

спеціальності 6.090603 «Електротехничні системи електроспоживання»)

Харків – ХНАМГ – 2010

Електрофізика та техніка високих напруг: Конспект лекцій (для студентів 4, курсів денної і 5 заочної форм навчання спеціальності 6.090.603) /.Укладач: Рой В.Ф. – Харків: ХНАМГ, 2009. – 172 с.

Укладач: В.Ф. Рой

Рецензент: В.А.Маляренко

Рекомендовано кафедрою ЕМ, протокол № 8 від 7.05.2009 р.

ЗМІСТ

	Вступ
	РОЗДІЛ 1 Основні поняття і визначення електрофізики високих напруг
1.	Електрофізичні процеси в газах........................
1.1.	Газові діелектрики......................................
1.2.	Ударна іонізація.......................................
2.	РОЗДІЛ 2 Віди електричних полів.................................
2.1.	Характеристика полів між електродами різної форми.......
2.2.	Регулювання електричних полів.........................
2.3.	Регулюванняелектричних полів у внутрішньої ізоляції......
2.4.	Використання конденсаторних обкладинок................
2.5.	Використання напівпровідникових плівок.................
3.	РОЗДІЛ 3 Корона на проводах ЛЕП...............................
3.1.	Природа виникнення коронного розряду..................
4.	РОЗДІЛ 4 Розряди в повітряних проміжках при грозових перенапругах..
4.1.	Параметри грозових імпульсів...........................
4.2.	Розряди в довгих повітряних проміжках...................
4.3.	Характеристика грозових перенапружень..................
4.4.	Характеристики грозової діяльності......................
5.	РОЗДІЛ 5 Розряди вздовж поверхні твердих ізоляторів...............
5.1.	Вплив поверхні твердого діелектрика на розвиток розряду...
5.2.	Розряд по зволоженій та забрудненій поверхні ізоляторів....
5.3.	Часткові дуги (розряди)................................
5.4.	Вибір ізоляторів залежно від зовнішнього середовища......
5.5.	Дуговий розряд.......................................
6.	РОЗДІЛ 6 Розряди в рідких діелектриках..........................
6.1.	Фізична природа розряду в рідких діелектриках...........
6.2.	Комбінована ізоляція..................................
7.	РОЗДІЛ 7 Електропровідність твердих діелектриків.................
7.1.	Внутрішня та зовнішня ізоляція електрообладнання........
7.2.	Основні властивості внутрішньої ізоляції.................
7.3.	Механізми пробою твердих діелектриків.................
7.4.	Ізоляція трансформаторів..............................
7.5.	Конструкція ізоляції трансформаторів...................
8.	РОЗДІЛ 8 Поляризація діелектриків..............................
8.1.	Види поляризації діелектриків..........................
9.	РОЗДІЛ 9 Методи котролю внутрішньої ізоляції...................
9.1.	Використання абсорбційних струмів для контролю ізоляції...
9.2.	Контроль ізоляції підвищеною напругою.................
9.3.	Види випробувальних напруг...........................
9.4.	Випробування і координація ізоляції за рівнем перенапруг..
9.5.	Контроль міжфазної ізоляції............................
9.6.	Випробувальні трансформатори і методика випробувань.....
9.7.	Контроль ізоляції за інтенсивністю часткових розрядів......
9.8.	Контроль ізоляції по тангенсу кута діелектричних втрат.....
10.	РОЗДІЛ 10 Високовольтні ізолятори...............................
10.1.	Класифікація ізоляторів................................
10.2.	Вводи високовольтні масло наповнені....................
11.	РОЗДІЛ 11 Види старіння внутрішної ізоляції.......................
11.1.	Електричне старіння...................................
11.2.	Старіння від механічних навантажень....................
11.3.	Вплив зволоження на процеси старіння...................
11.4.	Роль часткових розрядів у старінні ізоляції................
11.5.	Теплове старіння ізоляції...............................
12.	РОЗДІЛ 12 Захист електрообладнання від ударів блискавки............
12.1.	Ефективність захисту електрообладнання.................
12.2.	Зона захисту одиночного стрижневого блискавковідводу....
12.3.	Зона захисту подвійного стрижневого блискавковідводу....
12.4.	Зона захисту подвійного блискавковідводу різної висоти....
12.5.	Зона захисту тросових блискавковідводів.................
12.6.	Заземлення блискавковідводів..........................
	РОЗДІЛ 13 Захист електрообладнання від перенапруг.................
13.1.	Захисні пристрої (ПЗ)..................................
13.2.	Трубчасті розрядники (РТ)..............................
13.3.	Вентильні розрядники.................................
13.4.	Обмежувач перенапруг нелінійний (ОПН)................
13.5.	Довго іскрові розрядники (РДІ).........................
14.	РОЗДІЛ 14 Хвильові процеси в ЛЕП...............................
14.1.	Рівняння хвильового процесу...........................
14.2.	Преломлення і відбиття хвиль..........................
14.3.	Імпульсна корона на проводах ЛЕП.....................
15.	РОЗДІЛ 15 Блискавкозахист повітряних ліній.......................
15.1.	Інтенсивність грозової діяльності.......................
15.2.	Грозостійкість ЛЕП без тросів..........................
15.3.	Удар блискавки в землю поблизу ЛЕП...................
15.4.	Грозостійкість ЛЕП з тросами..........................
15.5.	Визначення імовірності перекриття ізоляції..............
16.	РОЗДІЛ 16 Захист підстанцій від перенапруг.........................
16.1.	Захист підстанції від грозових перенапруг
16.2.	Захист підстанцій від набігаючих імпульсів перенапруг.....
16.3.	Визначення довжини захищеного підходу до підстанції.....
16.4.	Захист підстанцій різної номінальної напруги.............
16.5.	Ефективність захисту електрообладнання підстанцій.......
16.6.	Види комутаційних перенапруг..........................
16.7.	Механізми виникнення комутаційних перенапруг...........
16.8.	Обмеження комутаційних перенапруг.............
	Список літератури....................................
	Предметний покажчик

ВСТУП

Метою курсу «Електрофізика і техніка високих напруг» є вивчення основ теорії електрофізичних процесів, що відбуваються в електротехнічних матеріалах при дії на них високих напруг та сильних електромагнітних полів, способів протидії негативному впливу грозових і комутаційних перенапруг на функціональні характеристики ізоляційних конструкцій високовольтного електрообладнання, координації і методів профілактичного контролю і випробування ізоляції різних типів енергетичного електрообладнання.

Предметом вивчення дисципліни є засвоєння основних положень електрофізики процесів у діелектричних матеріалах, сучасних інженерних методів розрахунку параметрів грозозахисних систем, заземлюючих пристроїв, принципів захисту підстанцій і ЛЕП, забезпечення безперебійної роботи високовольтного електроенергетичного обладнання в умовах дії грозових та комутаційних перенапруг, негативного впливу факторів зовнішнього середовища. Саме тому вона є базовою дисципліною для всіх електроенергетичних і електротехнічних спеціальностей.

Мета курсу:

- вивчити взаємозв'язок між електричними властивостями основних видів ізоляції, рівнями перенапруг, що впливають на неї, і характеристиками захисної апаратури;

- вивчити електрофізичні процеси в ізоляції при її експлуатації;

- оцінювати електричну міцність ізоляційних конструкцій;

-засвоїти основні методи й норми випробування ізоляції високовольтного електрообладнання;

- вивчити сучасні засоби боротьби з перенапругами у високовольтних електромережах.

РОЗДІЛ ПЕРШІЙ

Основні поняття та визначення електрофізики високих напруг

Середня фазна напруга в мережі називається номінальною: U_ном.

Найбільша допустима напруга (U_н.д.) лінії електропередач(ЛЕП) не повинна перевищувати:

ЛЕП-220 кВ — 1,15× U_ном.

ЛЕП-330 кВ — 1,1× U_ном.

ЛЕП-500-1150 кВ — 1,05× U_ном.

Перевищення напруги понад найбільш допустиму називається перенапругою. Перенапруги поділяються на внутрішні (ВП) і зовнішні, або грозові (ГП). Джерелом внутрішніх перенапруг є електрорушійні сили генераторів, енергія яких накопичується в реактивних елементах мережі та електрообладнання і проявляється у вигляді коливальних резонансних процесів електричної або магнітної енергії при планових або аварійних комутаціях електрообладнання. Величина і характер внутрішніх перенапруг залежить від виду комутації, режиму та характеристик електричної мережі, типу електрообладнання, що комутується, тому такі перенапруги дуже різноманітні, їх параиметри мають статистичний характер.

Грозові перенапруги виникають завдяки розряду блискавки в струмоведучі або заземлені частини електроустановок, внаслідок чого на них формуються імпульси перенапруги. Величина і характер грозових перенапруг залежать від інтенсивності грозових процесів і також є статистичною величиною. Відношення амплітуди перенапруги U _пер до амплітуди найбільшої фазної робочої напруги U _нд називають кратністю перенапруги і характеризують відповідним коефіцієнтом k_пер = U_пер / U_{н.д .}.

Відмінність ГП від ВП полягає в тому, що ГП впливають на ізоляцію короткочасно (десятки мкс.) і мають імпульсний характер, ВП — впливають на ізоляцію тривалий час і мають періодичний характер. Кратність і тривалість перенапруг суттєво залежить від режиму заземлення нейтралі системи. У системах з ізольованою нейтраллю при КЗ однієї фази на землю напруга на двох інших фазах підвищується до лінійної. При дуговому замиканні перенапруга може досягати величини 4∙U _ф. Оскільки при цьому струм КЗ не досягає значних величин, то не відбувається відключення пошкодженої ділянки мережі і перенапруга може існувати тривалий час. Тому необхідно знижувати величину перенапруги й посилювати ізоляцію, що економічно виправдано лише для мережі 5 – 35 кВ, де часті однофазні замикання на землю не призводять до аварійних відключень електромережі. Рівень ізоляції мережі 5 – 35 кВ визначається виключно вимогами грозостійкості, причому показники грозостійкості ЛЕП із збільшенням номінальної робочої напруги покращуються. У той же час внутрішні (комутаційні) перенапруги відіграють вирішальну роль при визначенні рівня ізоляції системи в цілому.

У мережах з ефективно заземленою нейтраллю однофазне замикання на землю супроводжується протіканням струму КЗ та аварійними відключеннями мережі, тому напруга на непошкоджених фазах зростає не більш ніж до 1,4 U_р і автоматичне повторне включення (АПВ), як правило, поновлює нормальну роботу мережі.

Найбільш небезпечними за своїми наслідками є грозові, або атмосферні перенапруги, пов'язані з ударом блискавки в електрообладнання або безпосередньо в ЛЕП чи поблизу неї. Перенапруги, що виникають при цьому, розповсюджуються по мережі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, діючи на ізоляцію ліній та усього обладнання. Тривалість грозових імпульсів перенапруг складає десятки мікросекунд, але амплітуда їх може сягати тисяч кіловольт, що надзвичайно небезпечно для будь-якого типу ізоляції. Тому існує необхідність захищати мережі від прямих ударів блискавки й обмежувати величину (амплітуду) грозових перенапруг до безпечних значень. Таким чином, для забезпечення безаварійної роботи електрообладнання ізоляція електроустановок повинна витримувати багатократні дії як атмосферних, так і внутрішних видів перенапруг, тобто мати відповідний рівень електричної міцності. Обмеження амплітуди діючих перенапруг здійснюється за допомогою захисних апаратів - розрядників та обмежувачів перенапруг нелінійих (ОПН). Узгодження величини діючих перенапруг із характеристиками захисної апаратури та електричними характеристиками ізоляції, що забезпечує надійну роботу і найбільшу ефективність електроустановки, – це головне техніко-економічне завдання при проектуванні і розрахунку електроустаткування, назване координацією ізоляції. Теоретично й практично можливе створення електроенергетичного об'єкта з дуже малою імовірністю виникнення аварійних ситуацій, однак це призведе до різкого збільшення його габаритів, маси і вартості, що з техніко-економічної погляду є недоцільним. З одного боку, рівень ізоляції повинен бути достатньо високим для забезпечення необхідної надійності системи, а з другого, з економічних міркувань, він повинен бути мінімально-допустимим. Тому головним критерієм вибору рівня ізоляції є техніко-економічна доцільність, що визначається на основі врахування статистичних характеристик частоти виникнення перенапруг та їх параметрів. Таким чином, забезпечення надійної роботи електрообладнання з урахуванням техніко-економічних показників, включаючи погодження величини діючих перенапруг із захисними характеристиками обмежувачів перенапруг, – є головним завданням електроенергетики.

Ізоляція електроустановок поділяється на два види: зовнішню і внутрішню. Зовнішня ізоляція складається з повітряних проміжків між струмоведучими частинами системи електропостачання, а також зовнішніх поверхонь ізоляторів, до яких кріпляться струмоведучі шини, проміжки між контактами роз'єднувачів та ін. Внутрішня ізоляція - це насамперед ізоляція обмоток трансформаторів, електричних машин, кабелів та ін. Якщо електрична міцність зовнішньої ізоляції залежить від впливу зовнішніх факторів: температури, тиску, вологості, забруднення, то характеристики внутрішньої ізоляції практично не залежать від атмосферних впливів. Але в процесі експлуатації на ізоляцію крім сильних електромагнітних полів діють також підвищена температура, механічні навантаження (статичні або динамічні), внаслідок чого відбуваються процеси деградації (старіння) ізоляції, пов'язані зі структурними змінами матеріалу завдяки протіканню в них фізико-хімічних процесів, що призводить до погіршення її функціональних параметрів, насамперед, електричної міцності. Тому важливим заданням обслуговуючого персоналу електромереж є своєчасний контроль стану ізоляційних конструкцій та елементів устаткування і їх своєчасне поновлення або заміна. З цією метою необхідно здійснювати періодичне комплексне випробування та аналіз стану ізоляції на спеціалізованому обладнанні.

За агрегатним станом ізоляція електроустановок поділяється на тверду, рідку й газоподібну. Комбінація з двох видів ізоляції (наприклад, твердої і рідкої) має назву комбінованої (це маслобар'єрна і паперово-масляна ізоляція).

Основними вимогами до всіх видів ізоляції є найбільша електрична міцність та спроможність протистояти впливу усіх зовнішніх факторів при мінімальних конструктивних габаритах і вартості, екологічність, відвід тепла. Важливою характеристикою зовнішньої (газової) ізоляції є поновлюваність її електричної міцності після пробою. Рідка ізоляція після пробою також поновлює електричні властивості, але не в повному обсязі внаслідок забруднення її продуктами горіння дуги, тому її стан періодично контролюють у процесі експлуатації, не допускаючи його погіршення до критичної величини.

Внутрішня (тверда) ізоляція, на відміну від зовнішньої, є не поновлювальною, тобто після пробою в ній відбуваються незворотні фізико-хімічні процеси, в результаті чого вона остаточно втрачає свої первинні діелектричні властивості, що може призвести до аварійного відключення електроустановки. На ізоляцію у процесі експлуатації тривалий час діє робоча напруга, яка може коливатись у встановлених межах ±10-15%, тому ізоляційні конструкції повинні протягом гарантованого строку служби безвідмовно функціонувати при дії цієї напруги.

Запитання для самоконтролю

1.Які мета та завдання курсу ЕФіТВН?

2.Як класифікується ізоляція електрообладнання?

3.Що таке найбільша допустима і номінальна напруга?

4.Поняття про перенапруги, їх види, характеристика та джерела.

5.Сформулюйте поняття «координація ізоляції».

6.Основні етапи і перспективи розвитку ТВН?

1. ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ГАЗАХ

1.1 Газові діелектрики

Гази в якості діелектриків широко використовуються в різних електроізоляційних конструкціях. Це насамперед повітря, елегаз (SF₆), азот. До них слід віднести також вакуум. Перевагами газової ізоляції є:

- добрі електроізоляційні властивості;

- стабільність характеристик у процесі експлуатації;

- відносна пожежна безпека;

- простота конструкцій електрообладнання з газовою ізоляцією.

Недоліками повітря як ізоляції є утворення озону при електричному розряді, що призводить до посилення корозії металевих частин електрообладнання, а також залежність його електричної міцності від атмосферних факторів: вологості, температури, тиску, забруднення.

Недоліками елегазу є обмеження застосування через його скраплення при нормальному тиску і температурі – 45°С. Для зниження робочої температури елегазу до нього додають 6% азоту, що розширює робочий діапазон єлегазової ізоляції до -60°С (рис.1.1).

Рис.1.1.-Залежність електричної міцності ізоляції від відстані між електродами: 1 – повітря при тиску р = 2,8 МПа; 2 – елегаз при тиску р = 0,7 МПа; 3 – трансформаторне масло; 4 – елегаз при тиску
р = 100 кПа; 5 – повітря при тиску р = 100 кПа;

Атоми газу в нормальному стані є нейтральними частинками і знаходяться в хаотичному тепловому рівномірному русі, зіштовхуючись між собою і витрачаючи енергію. Структура атома згідно зпланетарною моделлю складається з позитивно зарядженого ядра (протона), навколо якого на стаціонарних орбітах, що відповідають певним енергетичним рівням, знаходиться відповідна кількість негативно заряджених електронів, які компенсують заряд ядра. Тому атом в цілому залишається нейтральним.

Рис.1.2.- Іонізація газу в зовнішньому електричному полі.

У сильному електричному полі Е вільні електрони, що мають заряд е і деяка кількість яких завдяки природним іонізаторам (сонячне випромінювання, радіаційний фон землі), завжди присутня в міжелектродному проміжку, рухаються в напрямку позитивного електрода (анода).

Якщо на одиниці довжини шляху відбувається Z зіткнень електрона з атомами, то середня довжина вільного пробігу l складе: l = 1/ Z. Очевидно, вона залежить від відносної густини газу d: : таким чином, l зворотно пропорційна d. Тиск p ₀ і температура Т ₀ – умовно прийняті за нормальні (p ₀ = 760 мм.рт.ст. = 101×10³ Па, Т ₀ = 293 К = 20 °С), p і Т – дійсні на даний час параметри газу. При нормальних умовах d = 1, (p = p ₀, Т = Т ₀); , (p – Па, Т – К).

При розгляді процесів у газі достатньо використовувати спрощену (планетарну) модель атома, не враховуючі його хвильових властивостей. У нормальному стані всі електрони знаходяться на стаціонарних орбітах, що відповідють мінімальному енергетичному стану атома.

В електричному полі напруженістю Е на заряджені частинки газу діє сила: F = e × E, (е –заряд частинки). Імпульс зарядженої частинки в напрямку електричного поля дорівнює: m × V ₀ (m – маса частинки, V ₀ – швидкість дрейфу). Нехай n - частота зіткнень частинки з атомом,

тоді швидкість втрати нею імпульсу дорівнює: m × V ₀∙n. Ця швидкість, відповідно до другого закону Ньютона, компенсується дією на частинку сили F, тому: m × V ₀×n = e × E. Середній час між двома зіткненнями частинки:

t = l/ V _сер. (V _сер. – середнє арифметичне значення швидкості теплового руху). Звідки середня швидкість теплового руху виявляється пропорційна напруженості електричного поля Е:

. (1.1)

Концентрація частинок газу визначається як: ,

(k – 1,38×10^-23 Дж/К = 8,62×10^-5 еВ/К – постійна Больцмана).

Коефіцієнт пропорційності m = V₀ / E називається рухливістю — це швидкість дрейфу частки в електричному полі з напруженістю Е = 1 В/см. Враховуючі, що середня довжина вільного пробігу частинок λ_ср зворотно пропорційна тиску газу p, то при постійній температурі з урахуванням (1.1) отримаємо: μ· р = соnst.

Рухливість електронів μ_е на відміну від рухливості іонів μ_і залежить від напруженості електричного поля. Припускаючи, що кінетична енергія електронів та іонів в електричному полі рівні, тоді співвідношення їх рухливостей μ буде:

V_e /V_i = μ_e /μ_i = (1.2)

Оскільки маса електрона та іона: m_е=9,1∙ 10^-28г, m_i=1,7 ∙10^-24г, то для повітря, основною складовою якого є азот (атомна маса 14):

μ_е/μ_і = 227. Зокрема, рухливість іонів у повітрі при нормальних умовах складає: μ_і= 2 см²/В·с, а електронів μ_е = 400 см²/В·с.

Орбіта електрона характеризується певним рівнем потенційної енергії. Перехід електрона на вищу орбіту можливий при збільшенні енергії атома на дискретну величину, що дорівнює різниці потенціалів енергії двох орбіт. Енергія атома стрибком змінюється на величину, вимірювану в електрон-вольтах: 1 еВ = 1,6×10^-19 Вт×с (Дж). Перехід електрона на більш віддалені орбіти означає збільшення енергії і називається збудженням атома, в якому він перебуває» 10^–8с. Повернення атома в нормальний стан супроводжується виділенням надлишкової енергії, яка випромінюється у вигляді квантів світла - фотонів з енергією ε= h n (тут h – постійна Планка, n – частота). При цьому спостерігається світіння газу. Звичайно число збуджених атомів значно більше числа іонізованих. Якщо поглинена енергія перевищує енергію зв'язку електрона з ядром, то електрон виходить з орбіти і стає вільним. Атом, який втратив електрон, набуває позитивного заряду і стає іоном. Тому цей процес називається іонізацією, а енергія іонізації:

W_і = e × E × x_n., (1.3)

де е – заряд електрона, x_n- довжина вільного пробігу електрона.

При тепловому русі відбувається переміщення частинок під дією градієнта концентрації в ділянку з меншою концентрацією. Цей процес називається дифузією. При градієнті концентрації частинок dN/dx уздовж осі х дифузія описується рівнянням потоку дифузії: , тобто число частинок j, що проходять за 1 с. через одиницю площі, пропорційне градієнту концентрації та коефіцієнту дифузії: D = λ V /3. Коефіцієнт дифузії залежить від маси частинок, для електронів у повітрі він складає