4.3. Зависимость электрической прочности внутренней изоляции от длительности воздействия напряжения.
Характерная для внутренней изоляции зависимость пробивного напряжения от времени приложения пробивного напряжения показана на рисунке 4.7.
Рис. 4.7. Зависимость пробивного напряжения от времени воздействия напряжения
Сложный вид этой зависимости объясняется тем, что при разных временах процессы в изоляции, приводящие к пробою, имеют различную физическую природу.
Прежде всего, следует обратить внимание на то, что при любом значении времени пробивное напряжение — величина случайная, разбросы которой около среднего значения характеризуются коэффициентом вариации, порядка 5-15%. Случайный характер величины объясняется как природой процессов развития пробоя, так и неконтролируемыми случайными различиями между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями.
Зависимость =f(), показанная на рис. 4.7, может быть разделена на несколько участков, границы которых указаны ориентировочно.
Электрический пробой.
При малых временах , т.е. в диапазоне от единиц микросекунд до нескольких миллисекунд, в изоляции возможен так называемый чисто электрический пробой, сущность которого состоит в том, что при некотором напряжении в изоляции создаются условия для образования и быстрого увеличения числа свободных электронов. Последние в сильном электрическом поле приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул и образования концентрированного потока электронов. За счет энергии, выделяющейся при взаимодействии потока электронов с молекулами диэлектрика, происходит разрушение последнего с образованием проводящего канала.
При временах более нескольких десятков микросекунд значение напряжения остается практически неизменным, так как время много больше времени формирования проводящего канала, а другие механизмы пробоя еще не успевают проявиться.
Примесный пробой в жидкостях.
При > 10 c для внутренней изоляции, содержащей большие объемы жидкого диэлектрика, может наблюдаться некоторое снижение . Это происходит вследствие того, что с увеличением сильнее проявляется влияние примесных твердых частиц, неизбежно присутствующих в технически жидких диэлектриках. Такие частицы имеют, как правили, более высокую, чем у жидкости диэлектрическую проницаемость. Поэтому около них происходит некоторое увеличение напряженности в жидкости, что влечет за собой снижение пробивного напряжения. Под действием электрического поля примесные частицы перемещаются в области повышенных напряженностей. Чем больше время , тем дальше успевают сместиться частицы, тем больше вероятность появления их в наиболее напряженной области изоляции и, следовательно, ниже пробивное напряжение . При < 10 с частицы практически не успевают сместиться, и их влияние минимально.
Тепловой пробой.
Следующий участок кривой — область теплового пробоя. В зависимости от размеров и свойств изоляции и температуры окружающей среды он может занимать диапазон от десятков секунд до нескольких часов. Сущность теплового пробоя состоит в следующем.
Под действием приложенного напряжения в изоляции возникают диэлектрические потери, обусловленные наличием у реальной изоляции небольшой проводимости и рассеянием энергии при некоторых видах поляризации. За счет диэлектрических потерь происходит дополнительный разогрев изоляции.
Мощность диэлектрических потерь в изоляции определяется выражением
где — круговая частота; С — емкость рассматриваемой изоляции; U — воздействующее напряжение; tg — тангенс угла диэлектрических потерь, равный отношению активного тока через изоляцию к емкостному току .
Если мощность потерь в изоляции будет превышать мощность отвода тепла, произойдет нарушение теплового баланса изоляции, температура в изоляции будет неограниченно расти до потери изоляцией диэлектрических свойств — произойдет тепловой пробой.
Изложенная упрощенная модель теплового пробоя относится к случаю, когда время приложения напряжения значительно превышает постоянную времени нагрева изоляции.
Старение изоляции.
Последний участок зависимости =f() соответствует временам от нескольких минут или часов до 10-15 и более лет. Это область, в которой пробой постепенно подготавливается медленно протекающими процессами электрического старения изоляции. Эти процессы возникают под действием сильных электрических полей и необратимо ухудшают свойства изоляции.
Вопросы для самоконтроля:
- Каким воздействиям подвергаются элементы внутренней изоляции в высоковольтных конструкциях в процессе эксплуатации?
- Каковы требования к диэлектрическим материалам для внутренней изоляции?
- Какова цель комбинирования диэлектриков во внутренней изоляции?
- С какой целью осуществляется регулирование электрических полей во внутренней изоляции?
- Назовите основные виды внутренней изоляции.
- Каковы исходные материалы и область применения бумажно-пропитанной изоляции?
- Какой диэлектрик является основным в маслобарьерной изоляции?
- По каким причинам происходит выделение газов из трансформаторного масла в процессе эксплуатации?
- Как образуются проводящие мостики в маслобарьерной изоляции?
- Какие твердые диэлектрические материалы входят в состав маслобарьерной изоляции?
- В каком электротехническом оборудовании применяется изоляция на основе слюды?
- Каковы достоинства изоляции на основе слюды?
- Почему оборудование с элегазовой изоляцией может быть установлено на распределительных устройствах как в густонаселенных районах, так и в пустынных регионах и в прибрежных областях?
- Для чего газонаполненные полости элегазового оборудования разделяются на отсеки?
- Как влияет коронный разряд на состояние элегаза?
- Можно ли полностью исключить существование несамостоятельного разряда в элегазовом оборудовании при рабочих напряжениях?
- В чем преимущества применения смеси элегаза с азотом?
Задания на самостоятельную работу
- Сравнить между собой характеристики кабельной и конденсаторной бумаги.
- Сравнить между собой характеристики трансформаторного и конденсаторного масла.
Наладка элегазового оборудования — Обнаружение дефектов в изоляции элегазовых устройств
В настоящее время практическое применение нашли два метода обнаружения дефектов в изоляции элегазовых устройств: по амплитудным спектрам частичных разрядов и регистрацией акустических колебаний при помощи ультразвука. Оба метода разработаны СКТБ ВКТ Мосэнерго совместно с Ленинградским заводом «Электроаппарат», изготавливавшим элегазовое оборудование для подстанции. При пусконаладочных работах на подстанции напряжением 110 кВ с 28 элегазовыми ячейками обнаружение дефектов производилось только по амплитудным спектрам частичных разрядов, так как метод регистрации дефектов при помощи ультразвука к тому времени не был еще достаточно апробирован.
Методика выявления дефектов предусматривала их опознание, классификацию, ликвидацию или локализацию, а также испытание изоляции повышенным напряжением.
Дефекты в элегазовой изоляции различны. Наиболее распространены дефекты в эпоксидных изоляторах, что объясняется недостаточно качественным их изготовлением, включая нарушение режима полимеризации. Заусенцы на металлических деталях, проводящие посторонние частицы появляются в эле- газовой среде вследствие небрежной сборки отдельных узлов и их монтажа. Посторонние частицы в виде металлической пыли могут появиться от трения подвижных контактов в розеточных соединениях.
Как было уже отмечено, каждый вид дефекта характеризуется своими значениями напряжений зажигания и погасания, кажущегося заряда, среднего тока и числом импульсов в секунду частичных разрядов.
Испытания элегазового оборудования показали, что наиболее распространены подвижные частицы. Эти частицы, независимо от причины их появления, дают два вида дефектов: исчезающий и не поддающийся тренированию. Исчезающие дефекты характеризуются исчезновением кажущегося заряда под действием приложенного напряжения, что может быть объяснено стренированием подвижных частиц с течением времени, т.е. Q (0 -*• 0. Другой вид дефекта характерен сохранением определенного по значению кажущегося заряда, который и после тренирования остается практически постоянным, т. е. Q (t) — const. Это постоянство заряда относится, конечно, к одному значению приложенного напряжения, при другом значении этого напряжения значение кажущегося заряда будет другим, хотя и постоянным для этого значения напряжения. Наиболее опасным дефектом, как показала практика монтажа и эксплуатации элегазового оборудования, являются неисчезаю- щие частицы в зоне эпоксидного изолятора или на его поверхности, эти частицы с течением времени не уходят в зону слабого поля и не выпадают в ловушки.
Частичные разряды возникают иногда на фоне коронирующего разряда (короны), в свою очередь, возникающего от каких-либо острых заусенцев, например, заостренный шлиц на крепежном винте, фланце и т. п. Коронный разряд легко определяют, так как его заряд и частота импульсов в большой степени зависят от полярности полуволн переменного напряжения: при отрицательной полуволне кажущийся заряд разряда значительно меньше заряда на положительной полуволне а частота импульсов, наоборот, меньше на положительной полуволне (N_ > N+).
Физические процессы, характеризующие развитие коронного разряда из стримера, делают напряжение зажигания коронного
разряда большим по значению, нежели напряжение зажигания частичного разряда от подвижных частиц, и его заряд на положительной полуволне находится в пределах 100 — 1000 пКл. Коронный заряд представляет собой постепенное стечение зарядов с острия, образуя сначала стримеры, а уж затем переходя в корону.
Подвижные частицы в электрическом поле образуют частичный разряд, как только приложенное напряжение достигнет значения напряжения зажигания: чем ближе подвижные частицы к какому-либо из электродов, тем меньше напряжение зажигания частичного разряда.
Частичные разряды возникают в объеме элегазового оборудования и из-за нарушения геометрических размеров внутри конструкций, изменения конфигурации токоведущих частей и отдельных электродов. Эти дефекты сами по себе слабо искажают электрическое поле и часто не приводят к частичным разрядам, но с уменьшением в отдельных случаях изоляционных расстояний могут привести к уменьшению электрической прочности отдельных элементов оборудования. Следует обратить внимание и на такой факт: в элегазовой изоляции могут образовываться диэлектрические частицы, характеризующиеся очень малым зарядом частичного разряда, а это при наличии проводящих частиц делает практически невозможным регистрацию непроводящих частиц.
Обнаружение дефектов по спектрам частичных разрядов. Порядок подачи испытательного напряжения зависит от состояния изоляции: без дефектов; стренированная, т. е. улучшенная; дефектная.
Каждое испытание состоит из нескольких этапов (рис. 36): этап I- подготовительный;
этап II — выдержка испытательного напряжения; этап III- уменьшение испытательного напряжения; этап ТУ — дополнительное кондиционирование; этап V- испытание напряжением наибольшего значения; этап VI-проверка изоляции перед включением в эксплуатацию после приложения максимального по значению испытательного напряжения.
Контроль значения испытательного напряжения ведется по киловольтметрам верхней ступени источника напряжения. Рассмотрим эти этапы испытаний.
Рис. 36. Этапы электрических испытаний для изоляции: а — без дефектов; б — улучшенной; в — дефектной
Подготовительный этап I. Независимо от состояния изоляции (а состояние изоляции до испытаний нам практически неизвестно) на этом этапе испытательное напряжение подается на испытуемый объект ступенями. Это позволяет достаточно быстро отбраковать грубые дефекты, облегчает тренировку элегазовой изоляции во времени и фиксирование процессов электрического старения в изоляции.
Значение испытательного напряжения по ступеням определяется величиной напряжения зажигания первых частичных разрядов. Испытательное напряжение сначала увеличивается с нуля до напряжения появления первых разрядов, регистрируемых по осциллографу. На этой ступени напряжения измеряется прибором MUT-8 и осциллографом кажущийся заряд, а спектр частичного разряда записывается анализатором (типа АИ-128, АИ-256 и др.), равно как его амплитуда, число импульсов N на положительной и отрицательной полуволнах. Если с течением времени на этой ступени испытательного напряжения частичные разряды исчезают, т. е. частицы стренировались и ушли, таким образом, из поля, характеристики разрядов Q, N и I уменьшаются, то время выдержки изоляции на этой ступени определяется временем, необходимым для исчезновения кажущегося заряда, т. е. его уменьшения до нуля (Q = 0).
Затем испытательное напряжение увеличивается до значения напряжения следующей ступени, опять производится тренирование частичных разрядов, и снова измеряются характеристики вновь возникших частичных разрядов. Таким образом, напряжение поднимается тремя-четырьмя ступенями до значения 1,5 [/ф.
Если при увеличении испытательного напряжения до значения рабочего напряжения, равного обычно £/ф, частичные разряды не регистрируются, т. е. их нет, то на этой ступени напряжения изоляция всегда тренируется в течение нескольких (5- -10) минут, чтобы убедиться в действительном отсутствии частичных разрядов. Это требование диктуется условием: элегазовая изоляция считается удовлетворительной при отсутствии частичных разрядов на рабочем напряжении, т. е. Q = 0. Так как в этом надо обязательно убедиться, требуется приложение к изоляции напряжения во времени.
После испытания изоляции на ступени рабочего напряжения £/ф испытательное напряжение увеличивают ступенями до значений соответственно 1,15[/ф и 1,5 L/ф , и на каждой ступени изоляция тренируется и измеряются характеристики (Q, N, I) частичных разрядов. Время приложения напряжения на каждой ступени испытательного напряжения определяют характером стабилизации частичных разрядов. По достижении стабилизации, что определяют постоянством кажущегося заряда (Q- = const) частичных разрядов, время выдержки испытательного напряжения определяется лишь временем, необходимым для измерения и регистрации всех параметров частичных разрядов на данной ступени напряжения.
Этап длительного тренирования (Л) производится в течение 30 мин; на ступени напряжения 1,5[/ф измеряют все параметры имеющихся частичных разрядов, определяют вид дефекта по их спектру и характер проявления дефекта во времени. Выявляют места дефектов при помощи акустических датчиков, устанавливаемых на поверхности корпусов элементов элегазового оборудования.
На этом этапе предварительно решают вonpoc о возможности включения элегазового оборудования в эксплуатацию. Учитывают при этом наличие частичных разрядов по эпоксидным изоляторам или вблизи них как наиболее опасный вид дефекта.
Этап снижения напряжения (Ш). Производят плавное уменьшение значения испытательного напряжения до уровня ступеней, на которых измеряют значения напряжений погасания частичных разрядов, при этом сравнивают значения напряжений зажигания и погасания разрядов при одинаковых значениях заряда Q частичных разрядов.
Испытания на этапе снижения напряжения позволяют принять окончательное решение о состоянии изоляции элегазового оборудования, его включении или переборке и устранении дефектов.
Если после I — III этапов изоляцию признают хорошей и пригодной к эксплуатации, то производят испытание изоляции наибольшим по значению испытательным напряжением, определяемым программой испытания, согласованной заводом-изготовителем КРУЭ.
Этап приложения наибольшего испытательного напряжения (V)заключается в одноминутном приложении испытательного напряжения значением 180 кВ для КРУЭ-110 (320 кВ для КРУЭ-220). Напряжение увеличивают плавным подъемом до значения (Уисп с последующим плавным его уменьшением. Выдержки времени на наибольшем значении напряжения практически нет, контроль частичных разрядов не производят.
Этап проверки изоляции после приложения наибольшего испытательного напряжения (VI) проводят для того, чтобы убедиться в отсутствии новых дефектов. После приложения (7ИСП могут появиться новые дефекты, не выявленные ранее из-за недостаточной напряженности поля в месте дефекта. Напряжение плавно увеличивают до значения l^l/ф, затем также плавно уменьшают. Измеряют напряжения зажигания и погасания частичных разрядов и производят выявление по осциллографу характера дефекта. Время выдержки испытательного напряжения на этом этапе не нормируют.
Этап дополнительного кондиционирования (IV) проводят в случаях, если после подготовительных этапов I-III возникают сомнения в результатах испытаний. Цель этого этапа испытания — ускорить процесс развития дефекта и «сжечь» его при повышенной напряженности поля. Для этого испытательное напряжение плавно увеличивают до 125 кВ (для КРУЭ-110) и так же плавно уменьшают, при этом измеряют напряжения зажигания и погасания частичных разрядов и регистрируют характер дефекта, после этого решают вопрос о пригодности испытуемого оборудования к работе. В случае признания оборудования дефектным производят его переборку, устраняют дефекты, и оборудование испытывают вновь.
Ультразвуковой метод дефектоскопии в настоящее время является основным для определения места расположения дефекта в элегазовом оборудовании. Метод внедрен в практику СКТБ ВКТ Мосэнерго (руководитель работ инж. Ю. В. Шматов), им же разработано и применено регистрирующее ультразвуковое устройство (РУЗ).
Устройство регистрирует колебания оболочки, вызванные ударом отдельных частиц или изменением состояния элегаза под воздействием частичного разряда или короны внутри полости контролируемого элемента оборудования. Эти колебания преобразуются пьезоэлектрическим датчиком в электрический сигнал. Датчик может работать в диапазоне частот от 10 до 100 кГц. При низких частотах во избежание большого изменения падения напряжения на датчике нагрузочное сопротивление датчика должно быть по значению большим, так как обычно емкостное сопротивление датчика очень велико. Поэтому предварительный усилитель, монтируемый, как правило, с пьезодатчиком в одном корпусе, имеет большое входное и малое выходное сопротивления, коэффициент усиления предварительного усилителя 100.
Датчик устанавливают на поверхности контролируемого элемента комплектного элегазового оборудования, как показано на рис. 37. От датчика сигнал по кабелю поступает в блок регистрации с оконечным усилителем с коэффициентом усиления около 70. С оконечного усилителя сигнал поступает на самописец или осциллограф или головные наушники (телефоны) — это зависит от регистрирующего устройства, применяемого при конкретных испытаниях.
Снятые при помощи осциллографа осциллограммы (или диаграммы на самописце) позволяют судить о состоянии проверяемого оборудования. Диагностику дефектов производят сравнением характеристик поврежденного оборудования и его исправного состояния. Различие характеристик позволяет дать количественную и качественную оценки повреждения.
Рис. 38. Вид акустического сигнала движущейся частицы при ударе в оболочку
Рис. 37. Установка акустического датчика на оболочке испытуемого оборудования
1 — корпус (оболочка) оборудования; 2 — соединение клеевое; 3 — гайка; 4 — канал кольцевой; 5 — преобразователь акустический
Для различных видов дефектов осциллограммы имеют свои особенности. Испытательное напряжение (переменное или постоянное), его амплитудные значения в основном определяют эти особенности. Так, например, при движении частицы в элегазе в электрическом поле напряжением 10 кВ частоты 50 Гц и ударе ее в оболочку характеристика ультразвуковых колебаний имеет вид, представленный на рис. 38. Амплитуда ультразвукового сигнала для той же частицы в поле постоянного напряжения оказывается больше почти в 5 раз.
По характеру колебательного процесса в электрическом поле частоты 50 Гц можно судить о типе дефекта. Так, при наличии острия, если при движении частицы амплитуда колебаний не зависит от фазы приложенного напряжения, характер колебательного процесса зависит от фазы испытательного напряжения. Это может быть объяснено тем, что разряд от острия возникает первоначально при отрицательной полуволне и лишь затем при положительной. Такая особенность острия как дефекта позволяет по изменению амплитуд сигнала при положительной и отрицательной полуволнах напряжения частоты 50 Гц выявлять тип дефекта.
Испытания элегазовых ячеек на подстанции подтвердили эффективность метода ультразвуковой дефектоскопии: на протяженном токопроводе по характеру осциллограмм и амплитудам колебаний были определены типы дефектов, при разборке эти предположения подтвердились и были обнаружены металлические частицы (по осциллограмме были «частицы»), а также кусок резины и заусенец в сварном сочленении (по осциллограмме было «острие»).
Таким образом, ультразвуковая дефектоскопия позволяет обнаружить и выявить дефекты элегазового оборудования в стадии монтажа и устранить их до окончательной сборки ячеек КРУЭ. Кроме того, ультразвуковая дефектоскопия имеет перед методом частичных разрядов существенное преимущество: она позволяет выявлять дефекты и от диэлектрических непроводящих частиц, в то время как электрическими способами измерения частичных разрядов такие дефекты не выявляют. Поэтому следует предположить, что по мере накопления опыта метод выявления дефектов ультразвуком будут внедрять при монтаже и наладке элегазового оборудования все больше.
Элегазовые аппараты — Разряд в неоднородном поле при повышенных давлениях газа
В неоднородном электрическом поле, помимо перечисленных выше факторов, определяющих электрическую прочность газовой изоляции, добавляется еще один: характер электрического поля, зависящий от конфигурации электродов. С этой точки зрения электрические поля можно разделить на однородные, резко неоднородные и поля с той или иной степенью неоднородности.
Зависимость пробивного напряжения Uпр газа от давления р в резко неоднородном поле при положительной полярности иглы существенным образом отличается от таковой для равномерного поля. В первом случае в кривой Uпр=f(p) при некотором давлении рм обнаруживается максимум пробивного напряжения, за которым следует спад. При некотором давлении рс наблюдается минимум пробивного напряжения, после которого Uпр монотонно растет. На рис. 3 приведены зависимости пробивного напряжения некоторых газов от давления, полученные Поллоком и Купером [18]. Расстояние между электродами острие— плоскость составляло 0,3 см. Острие изготовлялось ив вольфрамовой проволоки с полусферическим концом радиуса 0,025 см.
Следует отметить, что механизм пробоя газа между электродами, образующими резко неоднородное поле, весьма сложен и до конца еще не выяснен. Своеобразный характер зависимости:
Рис. 3. Зависимости пробивного напряжения и напряжения начала короны от давления газов: 1— элегаз; 2—фреон; 3— воздух; 4 — углекислота (СO2) пробивное напряжение; напряжение начала короны
Unp=f(p) для электродов типа игла — плоскость Ховард объясняет следующим образом. В сильно неоднородных полях в узкой зоне высокой напряженности поля возникает самостоятельный разряд в форме коронного разряда. Напряжение Uн, при котором корона возникает, называют начальным напряжением. Можно считать, что она как бы увеличивает радиус кривизны электрода, выравнивая электрическое поле, вследствие чего пробивное напряжение возрастает по сравнению с UH. В связи с этим говорят, что разряд в этой области стабилизирован короной, понимая под этим значительное повышение пробивного напряжения в области максимума, по сравнению с начальным. Следует подчеркнуть, что не всегда возможно использовать преимущества коронной стабилизации разряда из-за того, что при коронном разряде некоторые газы (в частности, элегаз) становятся химически активными, способными разрушающе действовать на многие конструкционные материалы. Поэтому должно быть совершенно исключено появление короны в элегазе под действием рабочего напряжения. Ввиду кратковременности появление короны при перенапряжениях в большинстве случаев не опасно.
Рис. 4. Зависимости пробивного напряжения от давления для промежутков между электродами с различной неоднородностью поля.
Чем выше степень неоднородности электрического поля, тем больший интервал наблюдается между начальным и пробивным напряжениями. Наличие объемного заряда изменяет также и траекторию искрового разряда, поэтому при давлениях газа, близких к рм, разряды стремятся пройти вдоль внешней области объемного заряда, а не через его центр, где поле, по-видимому, более однородно. В этой области часто наблюдается кистевой разряд, не достигающий противоположного электрода.
Повышение давления газа связано с усилением фотоабсорбции.
В области максимума фотонная абсорбция становится весьма интенсивной. Это приводит к усиленному образованию электронных лавин в промежутке. Движение отрицательных зарядов к аноду будет приводить к нейтрализации положительного объемного заряда и, следовательно, снижению пробивного напряжения по сравнению с пробивным напряжением при рм. При давлении рс происходит полная нейтрализация положительного пространственного заряда, и пробой наступает без предшествующей короны.
Из рис. 3, кроме того, видно, что для данной конфигурации электродов и неизменного расстояния s между ними положения максимума и минимума пробивного напряжения зависят от природы газа. Для данного же газа, и в частности элегаза, и неизменного расстояния s значение максимума пробивного напряжения, как показано на рис. 4, возрастает и перемещается в область более высоких давлений при увеличении радиуса электродов r, т. е. по мере выравнивания электрического поля. Интервал между максимальным и минимальным пробивными напряжениями при этом сокращается, и в полях однородных или близких к однородному пробивное напряжение монотонно растет.
На рис. 5 приведены зависимости пробивного напряжения от давления при различных расстояниях между электродами в элегазе, образованных закругленной стальной иглой диаметром около 1,6 мм и плоскостью при постоянном напряжении и положительной полярности иглы [20]. Из рисунка видно, что по мере увеличения расстояния между электродами s максимум пробивного напряжения смещается в область более низких давлений, так как поле при этом становится все менее равномерным, а минимум — в область более высоких. Поэтому кривые, соответствующие большим расстояниям, охватывают кривые для меньших расстояний. Удвоение расстояния между электродами не вызывает соответствующего увеличения максимума пробивного напряжения. Отчасти это объясняется смещением максимума в область низких давлений. При отрицательной полярности иглы максимума не обнаруживается, и вследствие этого за максимумом для положительной полярности пробивное напряжение при отрицательной полярности иглы значительно выше, чем при положительной.
Рис. 5. Зависимости пробивного напряжения от давления для различных расстояний между электродами постоянный ток; переменный ток
Пунктиром на том же рисунке показана кривая пробивного напряжения промежутка длиною s = 25,4 мм при переменном напряжении с частотой 60 гц. Кривые для постоянного и переменного напряжения имеют приблизительно одинаковую форму и значения.
Следует, однако, иметь в виду, что влияние изменения расстояния между электродами и радиуса закругления в количественном отношении не совсем идентичны. Поэтому при других значениях s и r относительное расположение кривых Unp=f(p) при постоянном и при переменном напряжении может быть иным.
Сравнение кривых прочности промежутка в элегазе и воздухе при постоянном давлении (ρаб=1кГ/см2) от расстояния между электродами плоскость — шар диаметром 1,4 см, показано на рис. 6 [21]. Из рисунка видно, что при положительной полярности шара и при расстояниях свыше 10 см пробивное напряжение в элегазе ниже, чем в воздухе. Этот, на первый взгляд, неожиданный результат можно объяснить следующим образом.
С увеличением расстояния между электродами значения максимумов пробивного напряжения элегаза и воздуха перемещаются в различной степени для каждого газа в область меньших давлений. При этом максимум пробивного напряжения в воздухе может совпасть с областью минимальных пробивных напряжений в элегазе, и электрическая прочность последнего в этом случае окажется ниже прочности воздуха.
Интересно отметить, что при малых расстояниях между электродами, когда поле сравнительно однородно, напряжение начала короны Uн, как видно из рис. 6, совпадает с пробивным Uпр. При больших расстояниях пробивное напряжение из-за коронной стабилизации начинает превышать напряжение начала короны.
Электрическая прочность конструктивных промежутков в элегазе при промышленной частоте. Во многих конструкциях электрических аппаратов трубчатые или сплошные цилиндрические электроды с закругленными краями помещены во внутреннюю полость фарфорового изолятора. При этом характер электрического поля зависит не только от конфигурации электродов. Существенное влияние на степень однородности оказывает наличие вблизи промежутка фарфора.
Ниже приведены (по данным ЛПИ) зависимости пробивного напряжения в элегазе при разных давлениях от расстояния между электродами при следующих сочетаниях диаметров электродов и фарфоровых изоляторов [22]: внутренний диаметр фарфорового изолятора D=160 мм, диаметр электродов d=40 мм (рис. 7); D=160 мм, d=80 мм (рис. 8); D=100 мм, d=40 мм (рис. 9); D =160 мм, электроды трубчатые с наружным и внутренним диаметрами соответственно 96 и 62 мм (рис. 10).
Радиус закругления электродов г был неодинаков для различных диаметров, однако отношение r/d практически сохранялось неизменным и приблизительно равным 0,1.
На рис. 7 представлены зависимости пробивных напряжений при промышленной частоте от расстояния между гладкими и оплавленными электродами для первого сочетания электродов и изолятора, а на рис. 8 —для второго. Для третьего сочетания при гладких электродах аналогичные результаты приведены на рис. 9.
Рис. 7. Зависимость пробивного напряжения в элегазе при промышленной частоте от расстояния между электродами диаметром (d=40 мм; D =160 мм)
—— гладкие электроды;——— оплавленные электроды
Рис. 8. Зависимости пробивного напряжения в элегазе при промышленной частоте от расстояния между электродами (D=160 мм; d=80 мм)
——— гладкие электроды;———— оплавленные электроды
Как показывает опыт, уменьшение расстояния между электродами и фарфором приводит к снижению пробивного напряжения. В первом случае удаление электродов от стенок составляет 60 мм, во втором — 40 мм. Казалось бы, следовало ожидать уменьшения электрической прочности во втором случае. В действительности же электрическая прочность промежутка в элегазе при электродах диаметром 80 мм на 20—30% выше, чем при электродах диаметром 40 мм. В данном случае еще большее влияние, чем близость фарфора к электродам, на электрическую прочность оказывает степень равномерности электрического поля, определяемая конфигурацией электродов. При электродах диаметром 80 мм электрическое поле более равномерно, чем при электродах диаметром 40 мм, и это обстоятельство привело к тому, что, несмотря на уменьшение расстояния электрод —фарфор, электрическая прочность промежутка возросла.
Рис. 9. Зависимости пробивного напряжения в элегазе при промышленной частоте от расстояния между гладкими электродами (D=100 мм; d = 40 мм)
Рис. 10. Зависимость пробивного напряжения в элегазе от расстояния между гладкими трубчатыми электродами
Однако при увеличении диаметра электродов (при неизменном О) будет достигнуто такое положение, когда эффект снижения электрической прочности из-за уменьшения расстояния электрод — фарфор начнет преобладать над эффектом увеличения электрической прочности вследствие выравнивания поля конфигурацией электродов. Таким образом, кривая прочности промежутка в зависимости от диаметра электродов d будет иметь максимум при некотором его значении. Это значение диаметра электродов d (при данном значении диаметра фарфора О) является оптимальным.
Оптимальное значение диаметра электродов при диаметре фарфора D=160 мм лежит в пределах d=80—90 мм, поэтому при d = 96 мм, как видно из рис. 10, электрическая прочность промежутка несколько ниже, чем при d = 80 мм.
Представление о степени влияния стенок фарфорового цилиндра на электрическую прочность промежутка в элегазе дает сравнение рис. 7 и 9.
Уменьшение расстояния до стенок фарфора с 60 до 30 мм (при одном и том же диаметре электродов) вызвало снижение электрической прочности промежутка, определяемого коэффициентом kc, равным отношению пробивного напряжения при D= 160 мм к пробивному напряжению при D=100 мм. Степень снижения электрической прочности промежутка для третьего сочетания по сравнению с первым, как видно из табл. 2, существенно зависит от расстояния s между контактами.
Таблица 2
При небольших расстояниях между контактами близость стенок фарфора практически не ощущается, коэффициент снижения электрической прочности при расстояниях 10 и 20 мм близок к единице.
Наиболее быстрый рост коэффициента снижения электрической прочности для данных сочетаний Dud наблюдается при расстояниях s = 25—70 мм; при s = 100—120 мм коэффициент практически не изменяется.
Причина снижения электрической прочности промежутка при уменьшении расстояния между электродом и фарфором заключается в том, что наличие фарфора вблизи контактов вызывает повышение градиента на контактах, причем вызванное этим обстоятельством увеличение неравномерности сказывается тем сильнее, чем больше расстояние между электродами. При расстояниях s между электродами, несколько превышающих двойное расстояние от электродов до стенок фарфора, пробой часто идет с электрода на фарфор по поверхности фарфора, затем снова через газовый промежуток на другой электрод. Это приводит к тому, что кривые Uпp = f(s) загибаются и при значительных расстояниях между электродами пробивное напряжение практически не возрастает. Начало перегиба, как видно из сравнения рис. 7 и 9, зависит от расстояния от фарфора до электродов: чем оно меньше, тем при меньших междуконтактных расстояниях s наблюдается перегиб.
При оплавленных электродах степень равномерности электрического поля, естественно, уменьшается, что приводит к уменьшению прочности промежутка. Отношение пробивного напряжения на гладких электродах к пробивному напряжению при оплавленных электродах (по данным рис. 7 и 8) колеблется в пределах 1,2:65, причем большие значения относятся к меньшим междуконтактным расстояниям. Следует отметить, что для промежутков с электродами d=80 мм оплавление сказывается в большей степени, чем для электродов d=40 мм. И это вполне естественно, так как относительное уменьшение равномерности электрического поля при оплавлении для электродов d= 80мм будет выше, чем для электродов d = 40 мм.
Поскольку во всех рассмотренных случаях электрическое поле не является резко неравномерным, кривые Unр=f(p), построенные по данным рис. 7—9, не имеют максимума, характерного для электродов стержень — плоскость с малым радиусом закругления стержня.
Следует также отметить, что величина пробивного напряжения несколько зависит от положения междуконтактного промежутка по высоте изолятора, причем наличие во внутренней его полости контактов с расстоянием s между ними снижает разрядное напряжение по наружной его поверхности.
Очень важным для практики обстоятельством является выбор промежутка между коаксиальными цилиндрическими электродами. Такие электроды могут встретиться в трансформаторах тока, кабелях, конденсаторах, герметизированных распределительных устройствах и т. д.
Иностранные фирмы, разрабатывающие герметизированные РУ, в качестве изолирующей и дугогасительной среды используют либо воздух, либо элегаз. Решение в пользу того или иного варианта может быть принято в результате тщательного анализа их преимуществ и недостатков.
Как известно, максимальная напряженность в цилиндрическом поле наблюдается на поверхности внутреннего цилиндра. Она равна:
(1)
где U — разность потенциалов между электродами; R — радиус внешнего цилиндра; г — радиус внутреннего цилиндра. Пользуясь этой формулой, можно произвести качественное рассмотрение вопроса пробоя газа в цилиндрическом конденсаторе при различных отношениях R/r. Пусть при R = const изменяется r. Тогда очевидно, что при некотором значении отношения R/r величина Мmакс будет иметь минимальное значение. Действительно, дифференцируя знаменатель по г и приравнивая производную нулю, имеем
откуда R/r = е. При этом значении отношения выражение
r\n(R/r) максимально, так как вторая производная, равная — 1/r, меньше нуля. Следовательно, при R/r = e величина Емакс имеет минимальное значение.
В рассматриваемом случае в зависимости от соотношения наружного и внутреннего радиусов электродов электрическое поле может изменяться от резко неравномерного до практически равномерного. В случае резко неравномерного поля перед пробоем, как правило, возникает корона. Если для грубой оценки считать, что коронирующий слой газа обладает очень большой электропроводностью, то появление короны у поверхности внутреннего цилиндра будет эквивалентно увеличению радиуса этого цилиндра. С увеличением напряжения радиус короны будет расти и, когда он достигнет величины R/e, корона перейдет в искру, т. е. произойдет пробой. Имея это в виду, можно качественно объяснить зависимость пробивного и начального напряжения от радиусов электродов.
При изменении радиуса внутреннего цилиндра пробивное и начальное напряжения должны изменяться следующим образом. При r, близком к R, поле почти однородно, однако промежуток между электродами мал, поэтому пробивное напряжение мало и совпадает с начальным напряжением короны. При уменьшении r однородность поля уменьшается, однако значения Uпр и Uнач возрастают, оставаясь равными друг другу. При r= R/e значения Unр и Uнач должны достигать максимума, так как при этом Емакс минимально. При rUнач и оба с дальнейшим уменьшением r должны уменьшаться. Наконец, при очень малых значениях г объем, в котором напряженность поля достаточна для ударной ионизации, настолько мал, что развитие ударной ионизации, а следовательно, и короны затруднено и Uпр с уменьшением r возрастает.
На рис. 11,а (данные ЛПИ) представлены зависимости пробивного напряжения в элегазе от радиуса внутреннего цилиндра r. Рисунок показывает, что максимум пробивного напряжения наблюдается при г, несколько меньшем отношения R/e. По мере возрастания диаметра внешнего электрода максимум становится все более пологим. Поэтому в реальных конструкциях высокого напряжения радиус внутреннего электрода можно изменять в довольно широких пределах, причем пробивное напряжение будет оставаться практически без изменения.
Зависимости максимального градиента пробивного напряжения Eм.пр от 1/√d, рассчитанные по формуле (1), изображены на рис. 12 [119]. Они получены при полированных внутренних электродах и описываются уравнением:
Рис. 11. Зависимость пробивного напряжения элегаза в промежутке между коаксиальными электродами от радиуса внутреннего цилиндра
1-R=30 мм; 2-R=50 мм 
Рис. 12. Зависимости градиента напряжения в элегазе в промежутке между коаксильными электродами в зависимости от 1/√d
1.8. Разряд в неоднородных полях
В неоднородном поле, в отличие от однородного, напряженность поля в различных точках промежутка разная по величине или по направлению. К типичным промежуткам с неоднородным полем относят- ся: стержень–стержень , стержень–плоскость , провод–земля и многие другие реальные изоляционные промежутки.
На рис. 1.9 приведены зависимости напряженностей от расстояния между электродами типа стержень–плоскость . Основные закономерности развития разряда в любых резконеоднородных полях ( K H > 4 ) практически одинаковы. При некотором на- чальном напряжении U Н в промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т. к. вблизи стержня имеется область с напря- женностью, превышающей значение E * Н , соответствующее возникнове- нию самостоятельной формы разряда (рис. 1.9). Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фотоионизации из объема газа (при положительной полярности стержня), либо за счет фотоэмиссии или автоэлектронной (холодной) эмиссии с катода (при отрицательной полярности стержня). Такой разряд называ- ется коронным разрядом в лавинной форме . Значение напряжения и на- пряженности поля на электроде при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля. С увеличением степени неоднородности напряженность на электроде-стержне увеличивается, а напряжение возникновения короны уменьшается. U E E Н * 3 2 1 S Рис. 1.9. Зависимость напряженности электрического поля от расстояния междуэлектродамитипастержень–плоскость: 1 – E СР = f (S) = U/S ; 2 – E max = f (S) ; 3 – E * H – напряженность возникновения самостоятельной формы разряда При увеличении напряжения свыше U H , когда количество элек- тронов в лавине возрастает до 10 7 –10 9 , она переходит в плазменное состояние и в промежутке возникает стример у электрода с повышенной напряженностью поля. Если в однородном поле возникший стример пересекает весь межэлектродный промежуток, то в резконеоднородном
поле, в зависимости от величины напряжения, стример, пройдя некоторое расстояние, может остановиться. При этом плазма его распадается, но вблизи острия возникают новые стримеры, которые также останавливаются и их плазма распадается. Такое состояние разряда – устойчивое, т. к. при этом выполняется условие самостоятельности разряда. Этот случай, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме . Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образуется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в электрическую дугу, что означает завершение пробоя. В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.
1.9. Эффект полярности
В слабонеравномерных полях, где минимальный и средний градиенты напряжения мало отличаются друг от друга, коронное и разрядное напряжения практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико. В сильнонеравномерном поле коронное напряжение намного ниже разрядного, полярность при несимметричных электродах существенно влияет на величину разрядного напряжения. В промежутке ост- рие – плоскость формирование разряда зависит от полярности острия. При положительной полярности острия имеющиеся в промежутке электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем. Взаимодействуя с внешним полем в промежутке, положительный объемный заряд ослабляет поле вблизи острия и усиливает его в остальной части промежутка (см. рис. 1.10, а ). Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина электронов справа от объемного заряда, электроны которой, смешиваясь с положительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стримера, заполненный плазмой. Зажигается стримерный коронный разряд. Положительные заряды этой лавины будут располагаться на головке стримера и создавать область повышенной напряженности во внешнем пространстве. Наличие области сильного поля обеспечивает
образование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера, постепенно удлинняя его. Стример прорастает к катоду, вызывая пробой промежутка, при сравнительно малом значении разрядного напряжения. При отрицательной полярности острия электрическое поле непосредственно у острия приводит к эмиссии электронов с катода, которые сразу попадают в сильное поле и производят ударную ионизацию, образуя большое число лавин. Электроны лавин, перемещаясь в слабое поле у анода, теряют скорость, захватываются нейтральными молекулами, становятся отрицательными ионами, рассеянными в пространстве. Положительные ионы лавин образуют объемный заряд у острия, который, взаимодействуя с внешним полем, будет увеличивать напряженность непосредственно у острия и уменьшать – в остальной части промежутка (рис. 1.10, б ). Увеличение поля у острия приводит к усилению эмиссии электронов с поверхности катода, которые, смешиваясь с положительным объемным зарядом, образуют у катода зародыш катодного стримера.
| Е | Е |
| Е ОЗ | Е ОЗ |
| E | Е |
| Е Σ | |
| Е | Е |
| Е Σ | |
| а | б |
Рис. 1.10. Образование анодного ( а ) и катодного ( б ) стримера: E – напряженность внешнего поля; E ОЗ – напряженность поля объемного положительного заряда; E Σ – результирующая напряженность в промежутке после ионизации Вследствие большого числа начальных лавин у катода плазменный канал здесь представляет собой более или менее однородный слой с радиусом кривизны большим, чем у острия. Поэтому электрическое поле несколько выравнивается и напряженность во внешней области уменьшается.