ТВН: ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ. Мытников Алексей Владимирович доцент кафедры «Электроэнергетические системы и высоковольтная техника» (ЭСВТ) - презентация

1 ТВН: ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

2 Мытников Алексей Владимирович доцент кафедры «Электроэнергетические системы и высоковольтная техника» (ЭСВТ)

3 Распределение учебного времени: Лекции – 24 часа (12 лекций) Лабораторный практикум - 26 часов (12 лабораторных работ) Самостоятельная работа – 50 часов Экзамен в ходе сессии после завершения 6 семестра

4 Оценка успеваемости (рейтинг): Максимальный результат – 60 баллов состоит из: 18 баллов – лекции (1,5 балла – посещение лекции) 36 баллов – лабораторные работы (3 балла – одна работа, выполненная на «отлично») 6 баллов – представление и защита реферата на «отлично»

5 Лабораторные работы Приходить обязательно подготовленными. Готовиться по учебному пособию «Техника высоких напряжений» (НТБ ТПУ или электронный ресурс – сайт ЭЛТИ – студенту – библиотека – – 3 курс - ТВН)

6 Лабораторные работы ДЛЯ ГРУПП 9А62, 9А66: На первое лабораторное занятие придти ВСЕЙ ГРУППЕ В ПОЛНОМ СОСТАВЕ

7 ДЛЯ ГРУПП 9А62, 9А66: 17 февраля - ВТОРНИК 9А62 – вторая пара – А66 – пятая пара – 16-10

8 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА Сроки: 6 недель – 29 июня – 9 августа 2009

9 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА Если есть варианты прохождения практики – поиск предприятия и оформления договора – до 15 мая.

10 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА Место для летней практики можно найти тремя путями: 1)Энергообъект-предприятие (Электрическая станция, предприятие магистральных электрических сетей, электроцех завода или комбината и т.д.) в Вашем родном городе.

11 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА 2) Посещать презентации проводимые в ЭЛТИ представителями предприятий. Слушать, задавать вопросы и если заинтересовались профилем работы, условиями и перспективами – отдать резюме и договориться о прохождении практики.

12 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА 3) Место для прохождении практики предоставляется кафедрой. По всем вопросам связанным с прохождением летней практики – обращаться ко мне – к.154 – 8 к. Нечетная суббота – с

13 ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ УСЛОВИЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЛЕКЦИЙ – -ТИШИНА!!! МОБИЛЬНЫЕ ТЕЛЕФОНЫ – ОТКЛЮЧАТЬ! НЕ ОПАЗДЫВАТЬ!

14 ЛИТЕРАТУРА: «ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ» 1.В.В.Базуткин,В.П. Ларионов,Ю.С. Пинталь. М.: Энергоатомиздат, – 464 с. 2. Под редакцией Разевига Д.В. М.: Энергия, – 488с. 3. Под редакцией Костенко М.В. М.: Высшая школа, – 528 с.

15 ЛИТЕРАТУРА: 4. Техника высоких напряжений. Под редакцией Кучинского Г.С. СПб.: Энергоатомиздат, – 608 с. 5. В. Ф. Важов, В. А. Лавринович, С. А. Лопаткин. курс лекций для бакалавров направления «Электроэнергетика», Издательство ТПУ, Томск, 2006.

16 ЛИТЕРАТУРА: 6. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. Энергоатомиздат – 230 с. 7. Мирдель Г. Электрофизика. – М.: Мир, – 608 с. 8. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. – М.: Энергия, – 233 с.

17 Техника высоких напряжений представляет собой науку о характеристиках вещества и процессах в нем при экстремальных электромагнитных воздействиях высоких напряжениях и сильных токах, а также о технологическом использовании этих процессов в промышленности и электроэнергетике.

18 СТРУКТУРА КУРСА: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗАХ; ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ;

19 СТРУКТУРА КУРСА: ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ; ПОЛУЧЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ;

20 СТРУКТУРА КУРСА: ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И МОЛНИЕЗАЩИТА

21 СЛЕДУЮЩУЮ ЛЕКЦИЮ ПРОЧТЕТ МАСТЕРОВА ОЛЬГА АЛЬБЕРТОВНА ПО СВОЕМУ КУРСУ

22 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

23 Любой электрофизический процесс начинается при приложении к межэлектродному промежутку электрического поля.

24 ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ Все многообразие электрических полей подразделяется на: ОДНОРОДНЫЕ СЛАБОНЕОДНОРОДНЫЕ РЕЗКОНЕОДНОРОДНЫЕ

25 Симметричная форма Несимметричная форма

26 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗАХ:

27 ВИДЫ ИОНИЗАЦИИ; ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ; ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ; СТРИМЕРНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА;

28 ПРОЦЕССЫ РОЖДЕНИЯ И ИСЧЕЗНОВЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Переход одного или нескольких электронов с орбит близких к ядру на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным.

29 ПРОЦЕССЫ РОЖДЕНИЯ И ИСЧЕЗНОВЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Происходит ионизация атома, в результате которой образуется две независимые частицы: электрон и положительный ион. Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация.

30 ВИДЫ ИОНИАЦИИ Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость.

31 ВИДЫ ИОНИАЦИИ Если электрическое поле велико, то при этом кинетическая энергия частиц может превысить тепловую энергию и стать достаточной для ударной ионизации атомов. Энергия электронов и ионов, приобретенная в электрическом поле, определяется как:

32 ВИДЫ ИОНИЗАЦИИ Условие ионизации может быть записано в виде: где: e – элементарный заряд, E – напряженность электрического поля, m – эффективная масса заряженной частицы, V – скорость движения заряженных частиц, Wи – энергия ионизации нейтрального атома

33 ПРОЦЕССЫ РОЖДЕНИЯ И ИСЧЕЗНОВЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ: Объемная ионизация Эмиссия заряженных частиц с поверхности электродов (поверхностная ионизация). Объемная ионизация – совокупность различных ионизационных процессов в межэлектродном пространстве. Эмиссия – испускание заряженных частиц поверхностью электродов

34 ВИДЫ ИОНИАЦИИ Ударная ионизация – образование иона при соударении электрона с нейтральными атомом или молекулой.

35 ВИДЫ ИОНИАЦИИ Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит частицу только в возбужденное состояние.

36 ВИДЫ ИОНИАЦИИ Фотоионизация – образование иона и электрона в результате воздействия на нейтральный атом фотона. Энергия фотона должна превышать энергию ионизации атома.

37 ВИДЫ ИОНИЗАЦИИ АССОЦИАТИВНАЯ ИОНИЗАЦИЯ Происходит при столкновении возбужденного атома с атомом, находящимся в основном состоянии. В результате образуются молекулярный ион и электрон. A*+B=(AB)++ е

38 Термическая ионизация Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате: освобождения электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах,

39 Термическая ионизация фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате тепловых взаимодействий при высоких температурах, ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

40 Термическая ионизация Так, для паров металлов термическая ионизация значительна при температуре в несколько тысяч градусов, а для воздуха при температуре порядка С. Вероятность термической ионизации растет с повышением температуры и уменьшением потенциала ионизации атомов (молекул).

41 Термическая ионизация При обычных температурах термическая ионизация незначительна и практически может оказать влияние только при развитии дугового разряда.

42 Термическая ионизация При рассмотрении термической ионизации следует учитывать, что при высоких температурах наряду с возрастанием концентрации ионов и электронов становится значительной и их рекомбинация. В состоянии термодинамического равновесия плотность электронов, ионов и нейтральных атомов связаны соотношением Саха :

43 Термическая ионизация Уравнение Саха:

44 Термическая ионизация A = см -3 К -3/2 ; g + и g a – статистические веса иона и атома; n e и n + – концентрация электронов и ионов; N – общая концентрация атомных частиц; I – потенциал ионизации; К – постоянная Больцмана; Т – температура, К.

45 ВИДЫ ЭМИССИИ

46 Виды эмиссии Вторичная эмиссия – происходит за счет бомбардировки поверхности катода положительными ионами (вторичная эмиссия).

47 Виды эмиссии Вторичная эмиссия м ожет быть: Ион-электронной (налетающий ион выбивает с поверхности электрон) Электрон-электронной; Ион-ионной.

48 Виды эмиссии Условие существования вторичной эмиссии:

49 Виды эмиссии Фотоэмиссия - облучения катода ультрафиолетовым светом, рентгеновским или более коротковолновым излучением.

50 Виды эмиссии Условие существования фотоэмиссии:

51 Виды эмиссии Термоэлектронная эмиссия – происходит в результате нагрева поверхности катода. Описывается уравнением Ричардсона-Дэшмана:

52 Уравнение термоэлектронной эмиссии:

53 Термоэлектронная эмиссия А – коэффициент учитывающий отражение электронов от поверхности твердого тела. W – работа выхода.

54 Виды эмиссии Автоэлектронная или холодная эмиссия – испускание электронов при воздействии внешнего электрического поля достаточно высокой напряженности. Подчиняется уравнению Фаулера- Нордгейма:

55 Автоэлектронная эмиссия

56 ВЗРЫВНАЯ ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ (ВЭЭ) ВЭЭ – уникальное физическое явление открытое в 1966 году, в Томске, ТПИ (ныне - ТПУ). Автор открытия – Месяц Г.А., выпускник кафедры ТВН ТПИ; ныне - академик, вице-президент академии Наук РФ, председатель ВАК.

57 ВЗРЫВНАЯ ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В основе ВЭЭ лежит локальный нагрев и последующий взрыв (отсюда и название) микроострий на поверхности катода и формирование плазмы – катодный факел.

58 Взрывная эмиссия электронов При ВЭЭ источником электронов является взрывоэмиссионная плазма с нулевой работой выхода. Явление ВЭЭ лежит в основе работы плазменных источников заряженных частиц и является основным каналом рождения частиц в дуговых разрядах.

59 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ Прилипание – это процесс захвата нейтральной частицей электрона с образованием отрицательного иона. Это явление характеризуется коэффициентом прилипания, который показывает число отрицательных ионов образованных на единице длины пути (1 см).

60 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ Свойство нейтральных атомов и молекул присоединять электроны называется сродство электрону. Энергия выделяющаяся при образовании отрицательного иона, называется энергией сродства электрону.

61 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ Наибольшей энергией сродства обладают галогены. Газы, в которых образуются отрицательные ионы называются электроотрицательными (фтор, хлор, кислород и т.д.)

62 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ Свойство электроотрицательности находит важное практическое применение в технике высоких напряжений как путь увеличения электрической прочности газов.

63 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ИОНЫ Одним из самых перспективных изолирующих материалов в электроэнергетике является высокопрочный газ – элегаз. Элегаз – шестифтористая сера – газ с ярко выраженными электроотрицательными свойствами.

64 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Если в газе между двумя электродами появляется свободный электрон, то, набирая энергию при движению к аноду, согласно условию он может ионизировать атом или молекулу газа при столкновении.

65 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ В результате этого, многократно повторяющегося процесса появляются новые свободные электроны, число которых непрерывно растет. В результате образуется лавина электронов.

66 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Интенсивность размножения электронов в лавине характеризуется коэффициентом ударной ионизации который равен числу ионизаций, производимых электроном на единице длины пути в 1 см по направлению электрического поля.

67 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ

68 Для описания процесса образования электронной лавины, необходимо определить число электронов в лавине. Предположим, что из катода за счет воздействия внешнего ионизатора эмитируется n0 электронов. На расстоянии Х от катода число электронов возросло до n (рисунок).

69 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Увеличение числа электронов на пути dх будет равно: или

70 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Интегрируя по концентрации электронов от n0 до n и по длине промежутка х от 0 до х, получим:

71 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Для однородного поля, где коэффициент ударной ионизации = const, т.к. напряженность поля в любой точке промежутка одинакова, можно записать:

72 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ

73 Полученное выражение дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам. Тогда число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно:

74 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ

75 После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновиться, а может и затухнуть. Для возобновления развития лавины нужен хотя бы один вторичный эффективный электрон.

76 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Эффективным называется электрон, способный к осуществлению ионизационного размножения. Если этот электрон появляется от внешнего ионизатора – разряд называется несамостоятельным. То есть, в отсутствии внешнего ионизатора, развитие лавины не возобновится и разряд погаснет.

77 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Если же вторичный, эффективный электрон возникает в результате прохождения первичной лавины – разряд называется самостоятельным. Несамостоятельный разряд может перейти в самостоятельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение.

78 Лавина электронов

79 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ При самостоятельной форме разряда развитие лавины возобновляется, так как первичная и последующие лавины создают условия для их возобновления.

80 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Эти условия состоят в следующем: Возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить к фотоионизации или к фотоэмиссии электронов из катода. Вторичные электроны могут образовывать лавины в разрядном промежутке.

81 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ Оставшиеся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают вторичную эмиссию электронов из катода. Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине, исключая начальный электрон, т. е:

82 ЛАВИНА ЭЛЕКТРОНОВ

83 УСЛОВИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОСТИ РАЗРЯДА Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии. Коэффициент зависит от материала катода, состава и давления газа и всегда 1. Количество вторичных электронов, образованных после прохождения лавины, определяется следующим соотношением:

84 УСЛОВИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОСТИ РАЗРЯДА

85 Данное уравнение есть условие самостоятельности разряда в газовом промежутке. Оно показывает, что после прохождения первичной лавины необходимо, как минимум,

86 УСЛОВИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОСТИ РАЗРЯДА образование одного эффективного электрона, способного привести к появлению вторичной лавины, и соответственно может развиться лавинный разряд в газе.

87 СТРИМЕРНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА Лавинная форма самостоятельного разряда, для которой характерна ионизация во всем объеме газа, имеет место, если произведение, определяющее число электронов в отдельной лавине, относительно невелико.

88 СТРИМЕРНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА Характер процесса качественно меняется, если упомянутое произведение становится близким и превышает 18-20, а число электронов лавины, прошедшей путь и определяемое по формуле, превышает При этих условиях разряд переходит в новую форму – стримерную.

89 СТРИМЕРНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА Стример представляет собой светящийся слабоионизованный, тонкий канал, который образуется в результате слияния электронных лавин и распространяется в ту или другую или в обе стороны к электродам.

90 СТРИМЕРНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА Критерием перехода лавинного разряда в стримерный - лавинно-стримерного перехода - является критическое число электронов в лавине.

91 Схема развития стримера

92 1 – катод, 2 – эффективный электрон, 3 – электрон дающий начало лавине, 4 – канал слияния лавин, 5 – электроны втягивающиеся в головку лавины.

93 СТРИМЕРНАЯ ФОРМА РАЗРЯДА Стримерная форма разряда в коротких промежутках завершается, когда стримеры замыкают промежуток и в результате образуется искровой канал.

94 ИСКРОВОЙ РАЗРЯД Процессы в искровом разряде достаточно сложны: вначале ионизация распространяется по оси канала в виде волны (волна ионизации) со скоростью более см/с, затем рост концентрации электронов происходит однородно по длине. Эти процессы описываются моделью Ромпе-Вайцеля, по которой сопротивление канала:

95 ИСКРОВОЙ РАЗРЯД где: R – сопротивление канала, a – постоянная, зависящая от давления газа, p – давление газа, I – ток разряда.

96 ЗАКОН ПАШЕНА Один из базовых законов ТВН. Говорит о том, что разрядное напряжение в однородном поле является функцией произведения давления Р на расстояние между электродами S: Uпр = f (P S)

97 ЗАКОН ПАШЕНА

98 Вид этой зависимости можно объяснить, исходя из физических представлений. При S = const увеличение давления больше значения, соответствующего минимуму, приводит к увеличению числа столкновений электрона с нейтральными атомами и молекулами и,

99 ЗАКОН ПАШЕНА как следствие, к уменьшению его энергии, накапливаемой на длине свободного пробега. Следовательно, для возникновения ударной ионизации необходимо увеличение напряжения Uпр.

100 ЗАКОН ПАШЕНА С другой стороны, при давлениях меньших, чем значение, соответствующее минимуму, увеличивается длина свободного пробега и накапливаемая электроном энергия, но уменьшается количество столкновений, что уменьшает вероятность ударной ионизации.

101 ЗАКОН ПАШЕНА Для ее увеличения необходимо, чтобы как можно большее число столкновений заканчивалось ионизацией. Для этого необходимо увеличивать энергию электрона на длине свободного пробега, т.е. увеличивать Uпр.

102 ЗАКОН ПАШЕНА Важным следствием закона Пашена являются способы повышения пробивного напряжения газов: необходимо или увеличение давления выше атмосферного или уменьшение давления до значений меньших, чем давление, соответствующее минимуму, вплоть до вакуума.

103 ЗАКОН ПАШЕНА В однородном поле при нормальных условиях (атмосферном давлении) электрическая прочность воздуха составляет 30 кВ/см.

104 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ В неоднородном поле, в отличии от однородного, напряженность поля в различных точках промежутка разная по величине и/или по направлению. К типичным промежуткам с неоднородным полем относятся острие- острие, острие – плоскость, провод – земля, тор – плоскость и многие другие реальные изоляционные промежутки.

105 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ Основные закономерности развития разряда в любых резко-неоднородных полях (Кн > 3) практически одинаковы. При некотором напряжении Uк в промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т.к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение Е*, соответствующее возникновение самостоятельной формы разряда (рис.).

106 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ

107 Зависимость напряженности электрического поля от расстояния между электродами типа стержень – плоскость. 1 – Е сред. = f(S); 2 – Е = f(S); 3 – Е* - возникновение самостоятельной формы разряда

108 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фотоионизации из объема газа (при положительной полярности стержня), либо за счет фотоэффекта с катода (при отрицательной полярности стержня).

109 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ Такой разряд называется коронным разрядом в лавинной форме (лавинная корона). Значение напряжения и напряженности поля у электрода при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля.

110 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ При увеличении напряжения свыше Uк, когда количество электронов в лавине, в промежутке возникает стример у электрода с повышенной напряженностью поля. Этот процесс может повторяться. Такое состояние разряда устойчивое, т.е. выполняется условие самостоятельности разряда.

111 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ Явление, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме (стримерная корона).

112 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образуется стримерный канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду.

113 ЭФФЕКТ ПОЛЯРНОСТИ После перемыкания промежутка стримерный канал трансформируется в искровой. Причем, пробой промежутка при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны (острие),

114 ЭФФЕКТ ПОЛЯРНОСТИ происходит при меньших в (2-2,5 раза) напряжениях, чем при отрицательной. Это явление связано с влиянием поля объемного заряда в межэлектродном промежутке и называется эффектом полярности.

115 РАЗРЯД В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.

116 ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД В длинных промежутках (десятки-сотни сантиметров и более) и резко-неоднородных полях (коэффициент неоднородности поля Кн 3) возникает лидерный разряд.

117 ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД От активного электрода из области сильного поля, по траектории, прокладываемой предшествующими стримерами, прорастает канал, проводимость которого на 2-3 порядка выше, чем у стримера. Этот разрядный канал получивший название лидер, представляет собой волну ионизации, которая движется по подготовленной стримерами траектории

118 К A ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД Схема лидера, прорастающего от положительного острия: 1 – канал лидера; 2 – головка; 3 – стримерная корона; 4 – стримеры чехла; 5 – лавина, втягивающаяся в головку стримера А – анод, К - катод

119 ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД Основной причиной образования лидера в воздухе, т.е. условием стримерно-лидерного перехода, является повышение температуры газа приводящее к термической ионизации. Ток нагревает канал лидера до нескольких тысяч градусов.

120 ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД Отметим сходства и различия двух плазменных образований - стримера и лидера. Лидер и стример - плазменные каналы, распространяющиеся во внешнем поле межэлектродного промежутка.

121 ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД Проводимости каналов сопоставимы, различаясь не более чем на один-два порядка. Плазма стримера склонна к потере проводимости, особенно в воздушных промежутках, плазма лидера – нет.

122 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Дуговой разряд – самостоятельный электрический разряд в газе, горящий при относительно низком напряжении, которое соответствует значениям потенциала ионизации атомов газа (единицы-десятки Вольт). Особенностью дуговых разрядов является существование больших токов (1-100 кА) которые ограничиваются только мощностью источника питания разряда.

123 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Физической особенностью дугового разряда является наличие особых эмиссионных центров – катодных пятен. Катодные пятна постоянно, хаотично перемещаются по поверхности катода и обладают неограниченной эмиссионной способностью. Природа катодных пятен до сих пор не выяснена до конца.

124 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Температура поверхности электрода в пятне достигает величины температуры кипения материала катода. Поэтому значительную роль в формировании тока дугового разряда играет термоэлектронная эмиссия.

125 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Над катодным пятном образуется слой положительного пространственного заряда, который обеспечивает ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа.

126 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Этот слой создает высокую напряженность электрического поля у поверхности катода, особенно вблизи естественных микро-неоднородностей поверхности, что приводит к усилению роли автоэлектронной эмиссии.

127 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Высокая плотность тока в катодном пятне и постоянное перемещение катодного пятна создают условия для возникновения взрывной электронной эмиссии.

128 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Знание особенностей и закономерностей зажигания дуговых разрядов необходимо при проектировании и эксплуатации объектов электроэнергетики.

129 ДУГОВОЙ РАЗРЯД Вследствие больших токов, зажигание дугового разряда ведет к возникновению аварийного режима в силовых цепях и установках высокого напряжения, который, может завершиться выходом из строя электрического оборудования.

130 КОРОННЫЙ РАЗРЯД Коронный разряд – один из видов самостоятельного разряда, возникающий в широком диапазоне давлений – от сотен долей Па до атмосферного и выше. Особенность коронного разряда состоит в том, что он может не завершиться пробоем промежутка.

131 КОРОННЫЙ РАЗРЯД Коронный разряд возникает у электрода с малым радиусом кривизны и горит в виде светящегося ореола – «короны» (отсюда и название). Обязательным условием возникновения коронного разряда является значительная неоднородность электрического поля, Кн 3.

132 КОРОННЫЙ РАЗРЯД ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ (УНИПОЛЯРНАЯ КОРОНА) Распределение заряда в униполярной короне.

133 КОРОННЫЙ РАЗРЯД ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ (БИПОЛЯРНАЯ КОРОНА) I I Распределение заряда в биполярной короне.

134 ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ НА КОРОНУ Распространенной формулой для расчета потерь на корону на переменном напряжении является эмпирическая формула Пика: кВт/км фаза

135 ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ НА КОРОНУ где - относительная плотность воздуха; f - частота, Гц; r0 - радиус одиночного провода, см; S - расстояние между проводами, см; UФ - действующее значение фазного напряжения, кВ; Uк – напряжение возникновения короны, кВ

136 ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ НА КОРОНУ

137 где m1 – коэффициент гладкости провода, m2 – коэффициент погоды. Для идеально гладкого провода m1 = 1, для реального витого провода m1 = 0,85 0,92 (зависит от конфигурации провода).

138 ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ НА КОРОНУ Для оценочного подсчета среднегодовых потерь все погодные условия разбивают на 4 группы:

139 ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ НА КОРОНУ 1) хорошая погода; 2) дождь (включая мокрый снег и морось); 3) сухой снег; 4) изморозь (включая гололед и иней). Наибольшие потери в единицу времени возникают при изморози.

140 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток может существенным образом изменять механизм развития разряда. Величина разрядного напряжения при этом снижается и зависит от давления и формы электрического поля, свойств твердого диэлектрика, состояния его поверхности и расположения ее относительно силовых линий электрического поля.

141 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД Разряд вдоль поверхности диэлектрика называется поверхностным разрядом (перекрытием) Перекрытие в опасно тем, что при загрязненной и увлажненной поверхности разрядное напряжение снижается в 5-10 и более раз.

142 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД Характерные конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком

143 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД В левой конструкции силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика и поле является однородным. В средней конструкции поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика Е преобладает над нормальной составляющей Еn.

144 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД В конструкции справа поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая. При достаточно большой неоднородности поля в таких изоляционных конструкциях, как и в 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.

145 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД Температура стримера достаточно высока, и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может привести 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.

146 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД Через стримеры протекает сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримеров 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.

147 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД 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 стримера относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина канала скользящего разряда:

148 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД

149 где a – коэффициент, определяемый опытным путем; С – удельная поверхностная емкость – - емкость единицы поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода.

150 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД В условиях эксплуатации поверхности изоляторов всегда загрязняются. Однако, как правило, сухие загрязнения, имеющие высокое сопротивление и не влияющие на распределение напряжения по поверхности изолятора, не снижают заметно его разрядного напряжения. Увлажнение слоя загрязнения моросящим дождем или росой приводит к уменьшению сопротивления слоя загрязнения, изменению распределения напряжения по поверхности изолятора и в результате – к снижению его разрядного напряжения.

151 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД Увлажнение слоя загрязнения моросящим дождем или росой приводит к уменьшению сопротивления слоя загрязнения, изменению распределения напряжения по поверхности изолятора и в результате – к снижению его разрядного напряжения.

152 СТРУКТУРА ВРЕМЕНИ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА

153 ПАРАМЕТРЫ ГРОЗОВОГО ИМПУЛЬСА

154 ВОЛЬТ-СЕКУНДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ВСХ) Вид ВСХ для разрядных промежутков (грозовые импульсы) 1 – однородное поле; 2 - резконеод- нородное поле; 3 - вольт- секундная характериситик а защищаемого объекта

155 ЭФФЕКТ ПОЛЯРНОСТИ