WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ курс лекций для бакалавров направления 140200 «Электроэнергетика» Томск, 2005 г.

1 каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ Оглавление Введение..........................................................................................3 1. Разряды в газах...........................................................................4 1.1. Конфигурация электрических полей.................................4 1.2. Ионизационные процессы в газе........................................6 1.3. Виды ионизации..................................................................8 1.4. Лавина электронов.............................................................12 1.5. Условие самостоятельности разряда...............................15 1.6. Образование стримера......................................................16 1.7. Закон Пашена.....................................................................17 1.8. Разряд в неоднородных полях..........................................20 1.9. Эффект полярности...........................................................22 1.10. Барьерный эффект...........................................................24 1.11. Влияние времени приложения напряжения на электрическую прочность газовой изоляции (вольт-секундная характеристика — ВСХ).................26 1.12. Коронный разряд.............................................................30 1.13. Потери энергии при коронировании.............................32 1.14. Пробой жидких диэлектриков........................................35 1.15. Пробой твердой изоляции..............................................44 2. Высоковольтная изоляция.......................................................51 2.1. Высоковольтные изоляторы.............................................51 2.2. Изоляция высоковольтных конденсаторов.....................55 2.3. Изоляция трансформаторов..............................................2.4. Изоляция кабелей..............................................................2.5. Изоляция электрических машин...................................... каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ Введение Техника высоких напряжений (ТВН) возникла в связи с необходимостью электропередачи больших электрических мощностей на дальние расстояния. В 1880 году профессор Петербургского лесного института Д. А. Лачинов разработал и изложил теорию передачи электроэнергии на большие расстояния — повышение напряжения и уменьшения тока по мере увеличения дальности и передаваемой мощности.

Соответственно запросам энергетики развивалась техника высоких напряжений. Потребовалось создание промышленных высоковольтных установок переменного, постоянного и импульсного напряжений, а также установок для проведения исследований и испытаний изоляции при воздействии различных видов высокого напряжения. Повышение уровня напряжений требовало изучения физических явлений, механизмов воздействия электромагнитных полей высокого напряжения на изоляцию в различных условиях эксплуатации.

В настоящее время номинальное напряжение ЛЭП достигает 1 150 000 В, а передаваемая мощность по одной цепи такой линии составляет 6 Гигаватт. Общая протяженность электрических сетей в России с номинальным напряжением 35–1150 кВ превосходит 800 000 км.

Чрезвычайно большое значение при этом приобретают вопросы создания и эксплуатации комплекса оборудования, необходимого для генерирования, передачи, распределения электрической энергии: генераторов, трансформаторов, электрических кабелей, конденсаторов и др. аппаратов.

Высокие напряжения широко используются в электротехнологиях: окраска, электрофильтры, очистка воды, электрогидравлический эффект, электроимпульсные технологии — бурение, дробление, резание горных пород и др.; в электрофизических установках — управляемый термоядерный синтез, ускорители, лазеры и др.

Курс лекций состоит из 4-х крупных разделов:

1. Разряды в диэлектриках.

2. Высоковольтная изоляция.

3. Высоковольтное оборудование и измерения.

4. Перенапряжения и защита от них.

Поскольку основной причиной выхода из строя высоковольтного оборудования являются отказы изоляции, то наибольшие усилия направляются на сохранение ее в целостности. И здесь особую роль играет первый раздел: разряды в диэлектриках (в изоляции).

Изоляционные материалы — газообразные, жидкие, твердые, комбинированные.

Изоляция разделяется на внешнюю (воздух и все, что находится в воздухе) и внутреннюю (эта изоляция отделена от окружающей каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ среды корпусами и может быть газообразной, жидкой, твердой, комбинированной).

1. Разряды в газах Воздух до сих пор остается основным видом внешней изоляции линий электропередачи, энергетического оборудования и высоковольтной техники. Традиционный путь создания изоляционных конструкций, включающий их полномасштабные натурные испытания еще на поисковом этапе работы, представляются все менее перспективными.

Техника испытаний становится трудоемкой и требует все больше временных и материальных затрат. В связи с этим возникает потребность в численных оценках электрической прочности воздушных промежутков на основе расчетных моделей, достоверно отражающих закономерности развития разряда в воздухе.

1.1. Конфигурация электрических полей Диэлектрики служат для изоляции токоведущих электродов разной полярности друг от друга. Изолируемые электроды (шины распределительных устройств, провода линий электропередач, наружные токоведущие части электрических аппаратов и т. п.) создают электрические поля различной конфигурации (рис. 1.1).



а б Рис. 1.1. Формы электрических полей: а — симметричная система электродов;

б — несимметричная система электродов От формы электрического поля зависит электрическая прочность и пробивное напряжение. Формы электрических полей подразделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Типичными примерами однородного поля является поле между двумя плоскопараллельными электродами — электроды Роговского, слабонеоднородное поле шар-шар при расстоянии между электродами S меньше диаметра шара D (S

макс Eмакс KН =. (1.1) Eср Средняя напряженность есть отношение напряжения, приложенного к электродам, U, к расстоянию между электродами, S, U Eср =. (1.2) S Максимальная напряженность зависит от конфигурации, размеров электродов и расстояния между ними. Например, для коаксиальных цилиндров (кабель) (рис. 1.2) максимальная напряженность определяется, как U Eмакс =, (1.3) R r ln r U Eср =, (1.4) R - r где U — приложенное напряжение, кВ;

r — внешний радиус внутреннего цилиндра (жила кабеля), см;

R — внутренний радиус наружного цилиндра (оплетка кабеля), см.

r R Рис. 1.2. Схема коаксиальных электродов Подставим (1.2) и (1.3) в (1.1) — получим:

R - r KН =, (1.5) R r ln r т. е. КН зависит от геометрических размеров электродов.

каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ Для однородного поля коэффициент неоднородности КН = 1, для слабонеоднородного — КН 3, для резконеоднородного — КН 4.

Кроме этого различают симметричную и несимметричную систему электродов. Симметричная форма — электроды имеют одинаковую форму и размеры и отсутствует заземление какого-либо из них (рис. 1.1, а). Несимметричная форма — электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (рис. 1.1, б). Пробивные напряжения в несимметричной системе электродов ниже, чем в симметричной.

1.2. Ионизационные процессы в газе В отсутствие внешнего электрического поля частицы газа находятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала Z столкновений, то средняя длина ее свободного пробега равна:

=. (1.6) Z Значение зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшением температуры уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных частиц, если таковые имеются, т. е. к появлению в газе электрического тока.

Чем больше масса частицы, тем меньше ее подвижность.

При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны находятся на наименьших стационарных орбитах, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома.

Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с другой частицей или при поглощении коротковолнового излучения (фотовозбуждение). Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет ~10-10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона.

Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свобод каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ ным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия поглощенная атомом называется энергией ионизации. Энергия возбуждения и ионизации выражается в электронвольтах (эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.Энергии возбуждения и ионизации газов Минимальная энергия, эВ Газ возбуждения ионизации N2 6,1 15,N 6,3 14,O 7,9 12,O2 9,1 13,H2O 7,6 12,Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц — рекомбинация. Вследствие действия двух противоположных факторов — ионизация и рекомбинация — устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа, т. е. отношением концентрации ионизованных частиц к общей концентрации частиц.

nион Kион =, (1.7) N где Kион — коэффициент степени ионизации газа;

nион — концентрация ионизованных частиц;

N — общая концентрация частиц (N 1022 атомов на см3).

Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована, называется плазмой (nион 10121014 ионов на см3).

Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова. Плазма — форма существования вещества при температуре примерно 5000 К и выше.

При столкновении электронов с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ газы, в которых отрицательные ионы не образуются — электроположительными (азот, гелий).





1.3. Виды ионизации Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой скорости приобретают под действием электрического поля направленную скорость V=kE, (1.8) где V — скорость, см / с;

k — коэффициент пропорциональности, получивший название "подвижность" — скорость дрейфа заряженной частицы в электрическом поле с Е = 1 В / см, [см2 / (В·с) — размерность подвижности k];

смkэл 400 — подвижность электронов;

Bc смkион 2 — подвижность ионов.

Bc Е — напряженность внешнего электрического поля, В / см.

При этом кинетическая энергия частиц может быть существенно больше тепловой энергии и достаточной для осуществления ударной ионизации нейтральных частиц. Условие ионизации может быть записано в виде:

m V WИ (1.9) где m — эффективная масса заряженной частицы, кг ( mэл = 9,110-31 кг — эффективная масса электрона; mпрот = 1,7 10-27 кг — эффективная масса протона);

V — скорость движения заряженной частицы, м / с;

WИ — энергия ионизации нейтрального атома или молекулы, эВ.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Различают объемную и поверхностную ионизации. Объемная ионизация — образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация — излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов.

Объемная ионизация подразделяется:

1) ударная ионизация;

каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ 2) ступенчатая ионизация;

3) фотоионизация;

4) термоионизация.

Ударная ионизация — соударение электрона с нейтральным атомом или молекулой. На рис. 1.3, а, приведена схема ударной ионизации электроном. Условием ударной ионизации электроном является:

m1 V WИ, где m1 — масса электрона;

V1 — скорость электрона;

WИ — энергия ионизации молекулы (атома).

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона не достаточна для ионизации. Воздействие второго электрона на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации. Время между воздействием первого и второго электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. На рис. 1.3, б, приведена схема ступенчатой ионизации. Условием ступенчатой ионизации является:

m1 V12 m1 V + WИ, 2 где m1 — масса электрона;

V1, V3 — скорости электронов;

WИ — энергия ионизации молекулы (атома).

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов, излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация.

На рис. 1.3, в, показана схема фотоионизации.

Условием фотоионизации является h WИ, где h — постоянная планка, — собственная частота фотона.

каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ e1Vee1VЭлектрон Ион e2VМолекула а) e3V3 e3Veee1V1 e2VЭлектрон Ион e1V e1V Молекула б) Фотон e h Ион eVМолекула в) Рис. 1.3. Схемы объемной ионизации газа: а) ударная ионизация, б) ступенчатая ионизация, в) фотоионизация; е — элементарный заряд электрона (е=1,610–19 Кл), m — масса заряженной частицы Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих актов:

1) освобождение электрона при соударениях между атомами и молекулами при высоких температурах;

2) фотоионизация нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах;

3) ионизация при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

В газе при тепловом движении происходит диссоциация молекул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации. В табл. 1.2 в качестве примера приведены энергия диссоциации и ионизации для некоторых газов.

Таблица 1. каф. ТЭВН ЭЛТИ ТПУ Энергии диссоциации и ионизации Молекула Энергия диссоциации Атом Энергия ионизации O2 5,17 O 13,N2 9,77 N 14,Поверхностная ионизация осуществляется за счет:

1) бомбардировки поверхности катода положительными ионами (схема приведена на рис. 1.4 а); условие для выхода электрона с поверхности:

mион Vион Wвых, где mион — масса иона;

Vион — скорость иона;

Wвых — энергия выхода электрона.

2) лучистой энергии, облучающей катод, — ультрафиолетовый свет, рентген, излучения возбужденных атомов и молекул в объеме газа между электродами (схема приведена на рис. 1.4, б); при этом, условие для выхода электрона с поверхности:

h Wвых, где h — постоянная Планка;

— частота излучения фотона;

Wвых — энергия выхода электрона.

3) нагрева поверхности катода — термоэлектронная эмиссия (схема приведена на рис. 1.4 в);

4) энергии внешнего электрического поля — автоэлектронная или холодная эмиссия (схема приведена на рис. 1.4 г) возможна при напряженности электрического поля более 3·102 кВ / см.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.