Дуговий розряд

В електроустановках при комутації великих робочих струмів розбіжність контактів супроводжується виникненням дуги – розряду з великою густиною струму (до 100 кА/см²). Дугові розряди супроводжують і розвинуті поверхневі розряди – перекриття ізоляції електроустаткування.

У дузі є три характерних ділянки: прикатодна, стовп дуги, прианодна. Довжина прикатодної ділянки – порядка довжини вільного пробігу електрона 10^-4 ¸ 10^{-5 см}., довжина прианодної ділянки – приблизно така ж. Величина напруги у прикатодній ділянки U_к приблизно відповідає напрузі іонізації газу, в якому горить дуга:

U_к ~ 8 ¸ 12 В, – залежно від матеріалу катода; U_а ~ 1 ¸ 2 В. Падіння напруги на стовпі дуги:

U_c = E_s × L_c, (5.15)

а напруженість в каналі розряду: E_s ~ 15 ¸ 25 В/см,

де L_c – довжина стовпа дуги, см.

Нерівності поверхні катода збільшують напруженість електричного поля у стовпі дуги.

При значній густині струму дуги температура поверхні катода досягає температури випару металу катода й енергія електронів стає настільки великою, що дозволяє їм вийти з катода, тобто відбувається термоелектронна емісія.

Стовп дуги являє собою сильно іонізований об’єм газу, що складається з позитивних та негативних іонів і називається плазмою, яка характеризується дуже високою температурою - від 5000 до 25000 К. Горіння дугового розряду є вкрай негативним явищем, оскільки пов’язано з великими втратами електроенергії і можливим руйнуванням металевих частин електрообладнання.

Запитання для самоконтролю

1.Що таке поверхневий розряд, механізм його утворення?

2.Що таке нормальна й тангенційна складова електричного поля?

3.Наведіть формулу Теплера і поясніть її зміст.

4.Вплив питомої поверхневої ємності на розрядну напругу.

5.Як визначити величину мокророзрядної напруги гірлянди?

6.Що таке «часткові дуги», який механізм їх утворення?

7.Вплив атмосферних факторів на величину розрядної напруги.

8.Вплив довжини шляху витоку на електричну міцність ізолятора?

9.Як розрахувати число ізоляторів у гірлянді?

10.Назвіть негативні діючі фактори дугового розряду.

РОЗДІЛ 6

РОЗРЯДИ В РІДКИХ ДІЕЛЕКТРИКАХ

6.1.Фізична природа розряду в рідких діелектриках

Рідкі діелектрики розділяються на природні, до яких відносяться різноманітні масла, і синтетичні (кремнійорганічні сполуки). Електрична міцність масла (трансформаторного, кабельного, конденсаторного) наближається до міцності твердих діелектриків (~ 200 кВ/см). Крім того, рідкі діелектрики мають хорошу теплопровідність, що дозволяє ефективно відводити тепло від струмопровідних частин електрообладнання, які в процесі роботи нагріваються струмами навантаження та витоку. Ще одна їх цінна якість полягає у спроможності гасити дугу, яка виникає при комутації обладнання, або при пошкодженнях ізоляції. Застосування рідких діелектриків обмежує безпосередній вплив повітря і вологи на елементи конструкції електрообладнання.

Синтетичні діелектрики (Совол – С₁₂Н₁₀, Совтол– це совол + трихлорбензол) мають підвищену робочу температуру і високу нагрівостійкість й вогнебезпечність. Електрична міцність ~ 200 кВ/см. Кремнійорганічні діелектрики крім нагрівостійкості й негорючості мають температуру замерзання -80˚С та електричну міцність ~ 250 кВ/см. Електропровідність рідких діелектриків характеризується питомим об'ємним опором r_v ~ 10¹⁰ ¸ 10¹² Ом×м.

Вплив електричного поля Е на рідкий діелектрик призводить до дисоціації його і домішків на позитивні й негативні іони. При підвищенні температури дисоціація прискорюється. Підвищення напруги в однорідних електричних полях призводить до виникнення окремих пробоїв в найбільш слабких місцях рідкого діелектрика і переходу в стійкий розряд у вигляді дуги при подальшому підвищені напруги до розрядної. У нерівномірних полях спочатку виникає стримерна корона біля одного або обох електродів, яка при підвищенні напруги подовжується і переходить потім у стійкий розряд.

Відповідно до теорії розряду в рідких діелектриках, іони під дією нормальної складової електричного поля збільшують силу тиску на рідину уздовж траєкторії руху і за рахунок тертя, нагрівають ділянку рідини, утворюючи газові бульбашки, які сприяють подальшому розвитку розряду. Існуючі теорії розряду в рідких діелектриках не дозволяють оцінити їх вірогідність кількісно, тому треба орієнтуватися на експериментальні дані.

Електрична міцність рідких діелектриків різко зменшується при забрудненнях та зволоженні. Під дією електричного поля частинки забруднення і краплинки вологи втягуються в зону підвищених градієнтів, утворюючи провідні ланцюжки в напрямку силових ліній. При перекритті вздовж такого ланцюжка розрядна напруга діелектрика різко зменшується.

Волога в маслі може знаходитись в розчинному стані у вигляді емульсії або відстою на дні бака. Якщо молекулярно-розчинна вода мало впливає на електричну міцність масла, то навіть частки емульсійної воді різко знижують його міцність. Це пояснюється поляризацією краплинок вологи в електричному полі і утворенням внаслідок цього провідних місточків, по яких відбувається розряд. У рідких діелектриках проявляється ефекти полярності і бар'єрний:

Для підвищення розрядних напруг U_p рідких діелектриків використовують бар'єри, тверді покриття і ізолювання електродів.

Бар'єр не проникний для іонів рідини, що осаджуються на його поверхні, заряджаючи його і вирівнюючи електричне поле. Розглянемо вплив бар’єру на електричну міцність проміжку з плоскими електродами.

Рис.6.1.- Схема міжелектродного проміжку з бар’єром.

Без бар'єра напруженість у проміжку: , і розрядна напруга: ; з бар'єром: ,

; (6.1)

тоді розрядна напруга:

; . (6.2)

Приймаючи і заміняючи S_м = S – S_б отримаємо:

. (6.3)

Таким чином видно, що напруженість у маслі з бар'єром вища, ніж без нього. Розрядна напруга проміжку дорівнює: U_б = Е_м × S × (1 – r); тут r – частка товщини бар’єра S_б від загальної відстані S. При відсутності бар’єра розрядна напруга: U_р = Е_м × S, тобто діелектрична міцність вища з бар'єром на 30 ¸ 50%. Якщо r = ¹/₃ ¸ ¹/₆, то

кВ. (6.4)

Бар’єри найбільш ефективні, якщо розташовані нормально до силових ліній електричного поля.

Рис.6.2.- Залежність електричної міцності трансформаторного масла від температури.

При збільшенні температури від 60 до 80 °С електрична міцність зростає завдяки переходу води в молекулярний стан, а далі зменшується внаслідок появи пухирців пару в маслі (рис.6.2).

6.2. Комбінована ізоляція

Практика експлуатації електрообладнання свідчить, що найбільш повно вимогам до ізоляційних конструкцій відповідає ізоляція, що складається з декількох матеріалів, властивость яких доповнюють один одного та виконують різні функції у процесі роботи. Це, насамперед, тверді діелектрики, які мають необхідну механічну й електричну міцність. Однак вони мають низьку теплопровідність і не забезпечують надійного з’єднання з струмоведучими частинами електрообладнання без повітряних зазорів, у яких можлива поява часткових розрядів. Ці недоліки можна усунути, якщо в комбінації з твердими використовувати гази або рідкі діелектрики, які спроможні заповнювати ізоляційні проміжки будь-якої величини і конфігурації. Крім того, рідкі діелектрики, маючі високу теплопровідність, використовуються в системах інтенсивного охолодження струмоведучих частин електрообладнання. Прикладом комбінованої ізоляції є масло-бар’єрна (МБІ) ізоляція, що складається з мінерального масла і кабельного паперу або електрокартону.

МБІ використовуєть як головну ізоляцію в силових трансформаторах, автотрансформаторах і реакторах, між обмотками різної напруги, а також між обмотками і заземленими елементами конструкції електрообладнання напругою від 10 до 1150 кВ. Для збільшення електричної міцності МБІ в масляних проміжках встановлюють бар’єри з електрокартону товщиною 2-3 мм і покривають електроди полімерними плівками або паперовими стрічками. Наявність бар’єру в масляному проміжку збільшує напруженість електричного поля на 5-7 % (завдяки більшій діелектричній проникності картону ніж масла), але збільшує електричну міцність МБІ на 35 – 50 %. Недоліком її є пожежо- та вибухонебезпечність та необхідність захисту від зволоження.

Іншим видом комбінованої ізоляції є паперово-масляна ізоляція, (ПМІ), що складається із шарів кабельного й конденсаторного паперу просоченого дегазованим мінеральним маслом. ПМІ має високу електричну міцність ~ 600 кВ/см, малі діелектричні втрати (tgδ=0,003-0,005), але і малу допустиму робочу температуру ~ 90˚C. Використовується в електрообладнанні від 110 до 1150 кВ.

Питання для самоконтролю