Конспект лекцій 3 страница

Як видно з рис.(2.8), при використанні однорідного діелектрика розподіл напруженості електричного поля від центральної жили кабелю до зовнішньої оболонки буде різко неоднорідним (крива 1). Якщо ж використати декілька ізоляційних матеріалів з різною діелектричною проникністю: ε₁,ε₂,ε₃, так, щоб ε₁ >ε₂ >ε_3, то розподіл напруженості поля буде більш однорідним (крива 2). На практиці градирування паперово-масляної ізоляції кабелів здійснюють різними сортами паперу, які відрізняються щільністю. Найбільше значення ε має папір з більшою щільністю. У кабелях надвисокої напруги (500 кВ і більше) використовують 3 – 5 шарів паперу з різними ε.

2.4.Використання конденсаторних обкладинок

Регулювати електричні поля в ізоляції можна за допомогою конденсаторних обкладинок – додаткових електродів з металевої фольги, які розташовують в товщі ізоляції між основними електродами (рис.2.9). Завдяки зміні числа, розмірів та взаємного розташування конденсаторних обкладинок можна змінювати ємності послідовно ввімкнених конденсаторів, що їх утворюють ці обкладинки, і здійснювати регулювання електричного поля.

а)

б)

Рис.2.9.-Регулювання електричного поля конденсаторними обкладинками: а) – опорний ізолятор; б) – прохідний ізолятор. 1- електроди; 2- конденсаторні обкладинки.

Конденсаторні обкладинки можуть використовуватись для регулювання поля як в радіальному, так і осьовому напрямку (Рис.2.9). Якщо прийняти, що максимальна напруженість поля між двома сусідніми обкладинками повинна бути однаковою, то розміри їх визначаються з умови: r∙l = const, де r – радіус, а l - довжина обкладинки. При достатній кількості обкладинок відстань між ними мала (2-4мм), тому різниця між напруженостями електричного поля незначна і в радіальному напрямку практично є постійною. За допомогою конденсаторних обкладинок можна регулювати електричне поле і у вводах з масло-бар'єрною ізоляцією. При цьому обкладинки розташовують на бар'єрах циліндричної форми. Оскільки на краях обкладинок напруженість електричного поля досить значна, то збільшують радіус округлення країв обкладинок, наприклад, шляхом їх завертання або розташування між краями додаткових електродів.

2.5.Використання напівпровідникових плівок

Якщо електрод має гостру кромку і знаходиться в контакті з іншим видом ізоляції (газової, рідкої або твердої),- напруженість електричного поля між ними зростає завдяки різним діелектричним проникностям ε цих матеріалів. Для запобігання цьому застосовують напівпровідникові покриття, які дають змогу зменшити складову напруженості електричного поля Е_х, спрямовану уздовж поверхні твердої ізоляції (рис.2.10).

Рис.2.10.-Регулювання електричного поля за допомогою напівпровідникових плівок.

Зміна потенціалу й напруженості Е_х уздовж поверхні твердої ізоляції визначається питомим поверхневим опором р і питомою поверхневою ємністю С_пов = ε_оε_r / d, тут d – товщина ізоляції. За допомогою схеми заміщення визначаємо найбільшу напруженість у точці А: . При застосуванні напівпровідникового покриття з поверхневим опором р_п < р_s напруженість в точці А буде дорівнюватиме: , - тобто зменшиться в раз.

Запитання для самоконтролю

1.Види й класифікація електричних полів.

2.Що таке «краєвий»(граничний) ефект, де він виникає?

3.Викладіть основи теорії стримерного розряду.

4.Сформулюйте критерій переходу лавини в стример.

5.У чому полягає сутність бар’єрного ефекту?

6.Яка причина прояву ефекту полярності?

7.Як впливає неоднорідність поля на електричну міцність ізоляції?

8.Що означає термін «регулювання електричних полів»?

9.Що таке «градирування» ізоляції?

10.У чому полягає метод конденсаторних обкладинок?

11.У чому причина нерівномірного розподілу напруги по гірлянді?

12.Як можна вирівняти розподіл напруги по гірлянді ізоляторів?

РОЗДІЛ 3

КОРОНА НА ПРОВОДАХ ЛЕП

3.1.Природа виникнення коронного розряду

Якісно фізичний процес виникнення коронного розряду обумовлений наявністю високої напруженості електричного поля Е біля загостреного електрода (проводу) і градієнту потенціалів міжелектродному проміжку:

. (3.1)

Ця висока напруженість може бути достатньою для виникнення самостійного розряду в локальній зоні міжелектродного проміжку. Фазна напруга ЛЕП-110 кВ, між землею та проводом дорівнює: кВ. При великій відстані L проводів до землі цієї напруги недостатньо для виникнення самостійного розряду. Однак біля проводу на відстані 1 см завдяки високому градієнту, напруженість перевищує 25¸30 кВ/см, що більше значення критичної напруженості для повітря – 24,5 кВ/см і тут виникає самостійний розряд – корона. Початкову напруженість появи корони обчислюють за формулою

, (3.2)

а при малих радіусах r проводів використовують формулу Піка:

кВ/см, при r < 1см. (3.3)

Коефіцієнт – характеризує негладкість проводу. Для кручених проводів, які застосовують в ЛЕП, . В умовах дощу, снігу, ожеледі і корона виникає при меншій напруженості електричного поля. Напруга (початкова) появи корони:

, (3.4)

де H - висота підвісу проводу, см (середня або висота підвісу нижнього проводу). Облік втрат на корону необхідно проводити, якщо робоча напруженість Е біля проводу наближається до величини початкової напруженості:

, (3.5)

де Q – максимальне фазне значення заряду поверхні проводу (Кл/км), Ф/км – діелектрична проникність повітря.

Запишемо заряд Q через діюче значення лінійної (номінальної) напруги лінії U_л і ємність фази С: , і отримаємо величину допустимої робочої напруженості Е_р, при якій корона відсутня:

(кВ/см) (3.6)

Таким чином, якщо Е_р ³ 0,5∙ Е_нк, то втрати на корону значні і їх необхідно обмежувати.

Основним способом зменшення втрат на корону є збільшення діаметра проводу, що приведе до зменшення напруженості поля навколо нього.

Виключення корони на проводах ЛЕП досягають двома основними способами:

· розчленовуванням проводів фаз;

· розширенням проводів – замість сталевої центральної жили застосовують нейлонову або іншу непровідну (вуглепластикову), а провідникові сегменти розташовують по її периметру.

Рис.3.1.- Утворення об'ємного заряду біля проводу і струму корони.

При коронному розряді в результаті іонізації повітря біля поверхні проводу утворюється об'ємний заряд того ж знака, що і потенціал проводу (Рис.3.1). Напруженість поля біля поверхні проводу під час коронування залишається рівною Е_{н к}. Збільшення напруги на проводі призводить до посилення іонізації, зростання об'ємного заряду і зниження напруженості до Е_{н к}. При збільшенні напруженості об'ємного заряду втрати енергії на корону ростуть тим більше, чим більше напруга на проводі перевершує початкову напругу корони Е_{н к}. Оскільки об'ємні заряди переміщуються від проводу в напрямку до землі, напруженість поля біля проводу зростає. Але через посилення іонізації об'ємний заряд поповнюється, напруженість падає до Е_{н к} і корона зберігається необмежено довго. При змінній напрузі об'ємні заряди здійснюють зворотно-поступальні коливання біля проводу, поступово віддаляючись від нього в ділянку слабкого поля, де вони рекомбінують. При великих діаметрах проводів зона іонізації достатньо значна і при початковій напрузі U_нк може досягати критичної довжини. Тоді корона виникає одразу в стримерній формі.

На проводах малих (до 1 см) діаметрів корона виникає в лавинній формі. Але при збільшенні напруги понад U_нк розмір зони іонізації зростає і корона переходить у стримерну форму. Струм стримерної корони складається з окремих імпульсів з дуже крутими фронтами (~ десятки наносекунд). Ця ВЧ складова струму корони є джерелом інтенсивного електромагнітного випромінювання із широким спектром частот, що створюють перешкоди радіо- і телевізійному прийому.

При змінній напрузі корона виникає, якщо напруженість поля на проводі досягає Е_нк і горить, поки напруга не досягне максимуму. Потім напруженість поля на проводі стає нижче Е_нк і корона гасне. Оскільки позитивні іони малорухомі, то в кожен позитивний напівперіод змінної напруги об'ємний заряд підсилюється і корона запалюється раніше. Негативний об'ємний заряд завдяки більшій рухливості електронів, що прямують в напрямку до землі, - меншій, він менше підсилює об'ємний заряд, тому напруга запалювання корони в негативний напівперіод нижча. Залежність напруги запалювання корони від величини потенціалу на проводі називають характеристикою запалювання корони. При змінній напрузі коронування більш інтенсивне і втрати на корону значно більші, ніж при постійній (рис.3.2). Основні втрати електроенергії від коронного розряду обумовлені переміщенням об'ємного заряду до землі, оскільки втрати на іонізацію на порядок менші.

Рис.3.2.- Втрати потужності від корони при змінній та постійній напрузі.

Атмосферні опади утворюють виступи на поверхні проводів, різко збільшуючи напруженість електричного поля. Початкова напруженість запалювання корони Е_нк при цьому різко падає. Рівняння характеристики запалювання корони має вигляд: U_зап = 2 U_н – U_m.( тут U_m – амплітудне значення напруги на проводі). Через різну рухливість носіїв заряду - електронів та іонів напруга запалювання в позитивний напівперіод вища ніж в негативний.

Для того, щоб виключити втрати електроенергії від корони і радіоперешкоди, початкова напруга запалювання корони повинна бути не нижча найбільшої робочої напруги лінії щодо землі. При атмосферних опадах виключити коронування проводів практично неможливо (в тому числі з техніко-економічних міркувань), тому діаметр проводів вибирають тільки з умови виключення корони в суху погоду.

Приймемо для спрощення: , тоді

. (3.7)

Умова виключення корони:

. (3.8)

Прийнявши , d = 1 і (характерне для ліній 110¸220 кВ), одержуємо для ЛЕП 110¸220 кВ:

d ³ 0,011× U_ном, (3.9)

тобто діаметр проводів для ЛЕП-110 кВ з вимогою відсутності корони повинен бути – 1,2 см.; для ЛЕП-220 кВ – 2,4 см при нормальних умовах.

При U_нк ≥ 330 кВ необхідні проводи більшого діаметра, але щоб площа поперечного перерізу і діаметр були незалежні. Ця вимога реалізується в так званих р озширених проводах, в яких струмопровідні сегменти розташовані по периметру непровідної центральної серцевини.

Застосовують також розщеплення фаз – коли кожна фаза лінії складається не з одного, а декількох проводів меншого діаметра (Рис.3.3). Це дозволяє при необхідному сумарному перерізі проводів істотно знизити максимальну напруженість поля на їхній поверхні. При цьому заряд кожного проводу q₁ складає тільки частину загального заряду розщепленої фази q_ф:

, (3.10)

де n – число проводів у фазі; С_рф – ємність одиниці довжини проводу розщепленої фази.

Рис.3.3.-Характеристики розщепленої фази

Якщо r_р – радіус розщеплення, то у трифазній системі ємність розщепленої фази

; (3.11)

де L – середньо геометрична відстань між фазами,

– еквівалентний радіус одиночного проводу, який має ту ж ємність, що і розщеплена фаза.

Тоді середня робоча напруженість електричного поля на поверхні проводів розщепленої фази дорівнюватиме:

, (3.12)

а максимальна:

Е_мах =k_у Е_ср = f(n,r_p), (3.13)

де - коефіцієнт, що враховує посилення напруженості поля через вплив зарядів на сусідніх проводах розщепленої фази (рис.3.4).

Рис.3.4.- Залежність максимальної напруженості електричного поля розщепленої фази від відстані r між проводами ЛЕП-500кВ (n=3).

При збільшенні r_p зменшується вплив зарядів сусідніх проводів, але збільшується ємність фази і її заряд. Таким чином, існує оптимальний радіус розщеплення, при якому E_max – найменша. Отже з (3.13) випливає, що мінімальне значення напруженості Е_мах визначається оптимальним радіусом розщеплення r_p і числом одиночних проводів n.

Таким чином, наявність корони на проводах ЛЕП є негативним явищем з таких причин:

- струм коронного розряду – імпульсний зі спектром частот від 0,15 до 1000 МГц, що створює перешкоди у всьому радіо- та теледіапразоні;

- акустичний шум шкідливий для людини і вимагає збільшення зони відчуження ЛЕП;

- корона супроводжується створенням поблизу проводів ЛЕП і переміщенням до землі об'ємних зарядів, що викликає активні втрати електроенергії, які досягають ~ 40% втрат від нагріву проводів.

Однак збільшенням діаметру проводів і зниженням напруженості поля на їхній поверхні неможливо виключити корону при несприятливих атмосферних умовах. В місцях пошкодження проводів і арматури гірлянд, на елементах кріплення (тобто в зонах місцевого посилення поля) навіть в нормальних умовах може виникнути місцева корона. На лінії, якщо робоча напруга перевищує начальну: U_p > U_нк, то виникає загальна корона.

Загальні втрати енергії від корони розраховують на основі експериментальних даних про втрати Р_к при різних погодніх умовах: сухій погоді; сухому снігу; дощу; ожеледі; паморозі (Рис.3.5). Для траси ЛЕП використовують дані метеорологічних спостережень про тривалість різних погодних умов у годинах: h_хп – хороша погода; h_с – сніг; h_д – дощ; h_п – паморозь. Річні втрати (в кВт×год/км) визначають за формулою:

, (3.14)

Де N – загальне число проводів у 3-х фазах лінії.

Рис.3.5.- Узагальнені характеристики втрат потужності від корони при різних погодних умовах.

За співвідношенням E_max / E_н з графіка (рис.3.5) визначають потужність втрат. Середньорічна потужність втрат від коронидорівнює:

, кВт/км. (3.15)

При проведенні техніко-економічних розрахунків необхідно враховувати втрати від корони, якщо E_max / E_нк > 0,5. Економічно прийнятні втрати від корони при: E_max / E_нк £ 0,9 – це умова вибору діаметра проводів з погляду обмеження втрат від корони.

Радіоперешкоди від корони максимальні на ЛЕП надвисокої напруги в дощ і сніг. Основне джерело радіоперешкод – стримерна корона. Спектр частот радіоперешкод – від 10 кГц до 1 ГГц. Перешкоди на частотах більше 30 МГц виникають у ЛЕП–750 кВ і заважають теле- радіозв'язку. Інтенсивність радіоперешкод характеризується вертикальною складовою напруженості електричного поля біля поверхні землі (Е ₂). Рівень радіоперешкод визначають з формули:

дБ, (3.16)

де Е ₁ – напруженість електричного поля, мкВ/м. Приймаємо за базову Е ₁ = 1 мкВ/м, тоді:

Y = 20∙lg Е₂. (3.17)

Допустима напруженість радіоперешкод нормується на частоті 1 МГц і в хорошу погоду не повинна перевищувати 50 мкВ/м на відстані 50м від ЛЕП -330 – 750 кВ. Як розрахункова, за рекомендацією міжнародного комітету з радіоперешкод, прийнята частота f = 0,5 МГц. Рівень допустимого сигналу радіоперешкод в хорошу погоду не повинен перевищувати 40 дБ, що дає: 40 = 20∙ lgЕ, тоді Е = 100 мкВ/м. Це допустима напруженість електричного поля радіоперешкод на відстані 100м від проекції на землю крайнього проводу ЛЕП – 330 кВ і вище. Зі збільшенням відстані е рівень радіоперешкод знижується:

, (3.18)

де k = 1.6 – коефіцієнт загасання для частот 0,15¸1 МГц.

Збільшення радіуса проводів при незмінній напруженості поля на них призводить до зростання рівня радіоперешкод, тому що спад напруженості поля в радіальному напрямку сповільнюється, що створює умови для інтенсивної стримерної корони:

. (3.19)

Тут Y ₂ і Y ₁ – рівні радіоперешкод при напруженостях поля на проводах Е ₂ і Е _1, кВ/см.

З підвищенням частоти рівень радіоперешкод зменшується:

(3.20)

Перешкоди зростають також при забрудненні проводів. Залежність рівня радіоперешкод від напруженості електричного поля на проводі лінійна і визначається емпіричною формулою:

Y ₂ – Y ₁ = k ₁(E ₂ – E ₁), дБ, (3.21)

Де k ₁ = 1,8 – коефіцієнт при напруженостях поля 20¸30 кВ/см.

Акустичний шум, що впливає на психологічний і фізичний стан людини, має дві складові: шипіння, що відповідає частоті 100 Гц і кратним їй частотам, і широкосмуговий (так званий «білий») шум. Перша складова обумовлена рухом об'ємного заряду у проводів, що двічі за період створює хвилі звукового тиску, друга - генерується стримерною короною. За санітарними нормами припустимий рівень гучності акустичного шуму А дорівнює 45 дБ.

Виходячи з цих вимог лінії 330 кВ і вище не повинні наближатися до населених пунктів ближче ніж 300 м. Оцінку рівня гучності шуму корони А здійснюють за формулою

, дБ(А). (3.22)

Звідки виходить, що інтенсивність акустичних перешкод істотно зростає при збільшенні числа проводів n у фазі і відстані між ними l.

Запитання для самоконтролю

1.Фізичні причини виникнення коронного розряду?

2.Що таке «початкова напруженість» електричного поля?

3.Наведіть формулу Піка і дайте свій коментар щодо неї.

4.Що таке «коефіцієнт негладкості» проводу?

5.Негативні наслідки коронного розряду на проводах ЛЕП?

6.Методи запобігання коронного розряду на проводах ЛЕП?

7.Як впливають атмосферні фактори на виникнення корони?

8.Що таке «характеристика запалення» корони?

9.Як розрахувати втрати електроенергії від коронного розряду?

10.Як визначити рівень радіоперешкод від коронного розряду?

РОЗДІЛ 4

РОЗРЯДИ В ПОВІТРЯНИХ ПРОМІЖКАХ ПРИ ГРОЗОВИХ ПЕРЕНАПРУГАХ

4.1.Параметри грозових імпульсів

Грозова імпульсна перенапруга – короткочасна, має аперіодичний характер і характеризується вольт-секундною характеристикою: . (рис 4.1)

Рис.4.1.- Параметри імпульсу перенапруги: τ_i- тривалість імпульсу, τ_ф – тривалість фронту імпульсу, I_б- амплітуда струму блискавки.

Електроустаткування повинно витримувати дію випробувальним уніфікованим грозовим імпульсом, що має такі параметри:

- тривалість фронту імпульсу: мкс.

- тривалість самого імпульсу: τ_і =50 ± 10 мкс.;

- амплітуда імпульсу: І_б» 30¸200 кА;

- крутизна фронту імпульсу: ¶ І_б / ¶ t = а = 13¸30 кА/мкс.

Якщо до міжелектродного проміжку прикладена напруга пробою U_н, то для розвитку і встановлення розряду необхідний деякий час t_р – термін розряду, що складається з таких компонентів: t_p = t_x + t_c + t_ф, тут t_x – час наростання напруги до U_н; t_c – статистичний час запізнювання, пов'язаний з появою ефективного електрона (випадкова подія); t_ф – час розвитку і формування розряду (теж статистична величина). Якщо тривалість прикладеної напруги менше t_p, то пробою не відбудеться. Чим вища прикладена напруга U_н, тим менше час розвитку розряду t_p. Залежність максимальної напруги розряду U_р від терміну дії імпульсу називається вольт-секундною характеристикою (ВСХ) ізоляції. Оскільки початок і швидкість протікання процесу іонізації залежать від величини U_н, то ВСХ залежить від форми імпульсу (рис.4.2).

Рис.4.2.-Залежність величини розрядної напруги U_р ізоляції від тривалості дії імпульсу перенапруги t_р: 1- короткий імпульс; 2- середньо тривалий; 3 – довготривалий.

Через статистичний розкид терміну розряду t_р ВСХ має вигляд смуги, для якої вказують середню криву, а її ширина визначає межі розкиду величини розрядної напруги (для трьох різних імпульсів). ВСХ також суттєво залежить від ступеня однорідності електричного поля (рис.4.3).

Рис.4.3.- Залежність характеру ВСХ від ступені однорідності електричного поля: 1- однорідне поле; 2- неоднорідне поле.

Для однорідного поля ВСХ (1) паралельна осі абсцис і тільки при t_p» 1 мкс і менше, U_p зростає. Це дозволяє використовувати такі проміжки (куля-куля), як універсальний прилад для виміру максимальних значень високої напруги U_p.

Для різко неоднорідних полів ВСХ (2) має більшу кривизну, тому що інтервал t_ф сильно залежить від величини прикладеної напруги. Для таких проміжків при грозових імпульсах характерні більші розрядні напруги U_p, ніж при змінній напрузі частотою 50 Гц. Відношення імпульсної розрядної напруги U_p до розрядної напруги на частої 50 Гц U_~: називається коефіцієнтом імпульсу.

В однорідному полі k_імп = 1. Він характеризує кількісно реакцію ізоляції на комутаційні імпульси і змінну напругу. Найнижчі розрядні напруги має повітряний проміжок пари електродів стрижень-площина при Å на стрижні.

4.2. Розряди в довгих повітряних проміжках

Найнижчу розрядну напругу має повітряний проміжок, утворений парою електродів ЛЕП: провід-земля. При досягненні робочою напругою величини U_{нк ,} зі стрижня розвивається пучок стримерів (рис.4.4). Об'ємний заряд, що при цьому утворюється, знижує напруженість електричного поля Е у стрижня і розвиток розряду припиняється. Після цього напруга на проміжку знову зростає і з'являються нові спалахи стримерів.

Рис.4.4. Схема утворення лідерного розряду

Через нагрівання повітря (термоіонізацію) в зоні розвитку стримерів з'являється нове утворення – канал лідера. Лідер - це канал розряду, ініційований стримером. Концентрація іонізованих частинок у ньому вища ніж у стримері, що сприяє просуванню його до протилежного електрода. Швидкість розвитку лідера t_л >> t_стр (~10⁶ см/с). Зростаюча напруженість на проміжку, іонізація, яскраві спалахи і проходження по каналу великого струму, призводять до початку наскрізної фази розряду. Лідер безпосередньо контактує з електродом, а наступні спалахи стримерів виникають з кінця лідера і подовжують його до протилежного електроду. Далі розвивається наскрізна фаза розряду, що характеризується різким зростанням струму в каналі. Наскрізна фаза завершується перекриттям проміжку лідерним каналом і головним розрядом.

Перехід від лідерної стадії до головного розряду зручно порівнювати із замиканням на землю вертикального зарядженого проводу (рис.4.5), який імітує провідний канал з густиною заряду σ. При замиканні К, відбувається нейтралізація негативних зарядів позитивними, що надходять із землі.

Рис.4.5.- Макетне пояснення механізму утворення головного розряду.

Амплітуда струму, що розповсюджується по каналу зі швидкістю V: І_б = s × V. Якщо заряд замикається через деякий опір R, то струм в каналі:

I_б = σ∙V , (4.1)

де Z – еквівалентний хвильовий опір каналу блискавки, σ – густине заряду на одиницю довжини каналу.

Отже струм блискавки залежить від опору заземлення R і еквівалентного хвильового опору каналу блискавки Z. З достатнім ступенем точності хвильовий опір блискавки вважають нескінченно великим, тобто блискавку розглядають як джерело струму.

Інтенсивність розвитку розряду безпосередньо залежать від крутості імпульсу перенапруги. При грозових імпульсах практично одразу відбувається наскрізна форма розвитку розряду. Таким чином пробій проміжку може бути чисто стримерним (у неоднорідному полі) або лідерним (при великих відстанях між електродами L і змінній напрузі).