Вплив тиску на розвиток розряду в однорідному полі

Как известно, для электрического пробоя любого диэлектрического промежутка необходимо приложить электрическое поле заданной величины. Разряд в однородном поле свидетельствует о пробое всего диэлектрического расстояния между электродами. Очевидно, чтобы произошел разряд необходимо приложить какое-то пробивное напряжение Uпр. Величина пробивного напряжения Uпр является функцией от произведения давления и расстояния

, другими словами Uпр=f(P*S).

Эту закономерность впервые обнаружил Пашен и данное выражение наз. ЗАКОНОМ ПАШЕНА. Он установил, что минимальные пробивные напряжения для разных газов разные. Зависимость пробивного напряжения Uпр от величины PS для воздуха приведена на рис:

При S=const увеличение давления больше значения, соотв. минимуму приводит к увеличению числа столкновений электронов с нейтральными атомами и молекулами и как следствие, к уменьшению его энергии, накапливаемой на длине свободного пробега. Следовательно, для возникновения ударной ионизации необходимо увеличение напряжения Uпр. С другой стороны, при давленях меньших минимума пробивного напряжения Uпр, увеличивается длина свобідного пробега и накапливаемая електроном энергия, но уменьшается количество столкновений, что уменьшает вероятность ударонй ионизации. Для ее увеличения необходимо, чтобы как можно большее число столкновений заканчивалось ионизацией. Для этого необходимо увеличивать энергию електрода на длине свободного пробега, т.е. увеличивать Uпр.

Экспериментальная кривая Пашена отличаетсяот расчетной, как в области очень малих значений PS (приближение к вакуумному пробою, при котором основную роль играют процессы проходящие на поверхности електродов, а не в обьемах газа), так и в области очень больших значений(увеличение напряженности электрического поля на микровыступах электродов и увеличение вероятности возникновения лавин, что снижает Uпр).

Поняття питомої поверхневої ємності

Удельная поверхностная емкость –это отношение ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Зона захисту групових блискавковідводів.

Білет №9

1.

 

2.

 

3.

 

Білет №10

1.

 

2. Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструкции (на рис. 1.19,б) поле неоднородного и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика Е_τ преобладет над нормальной составляющей Е_n.

3.

Билет №11

1. Лидерный разряд.

При развитии наземной молнии возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

2. Распределение напряжения по гирляндам подвесных изоляторов.

В связи с большой величиной поверхностного активного сопротивления изоляторов их влиянием при сухом состоянии конструкции можно пренебречь.

Как видно из рисунка, в узлы схемы подтекают и утекают токи (Iпр – продольный ток по собственным емкостям изоляторов; Iз – токи, которые текут через конструкцию емкости относительно земли).

В связи с разностью конструкционных емкостей относительно провода и земли величины токов различны:

Iз> Iпр

Согласно рисунку в т.А протекает малый ток Iпр и вытекают значительные токи Iз. При этом следует учитывать, что напряжения между точкой А-провод меньше, чем напряжение А-земля. В связи с этим ток Iпр прогрессивно уменьшается по направлению от фазы к земле. Поэтому падение напряжения на изоляторе резко неравномерны. Это приводит к недоиспользованию изоляторов, значительному уровню помех и электрокоррозии.

3. Защитные промежутки и трубчатые изоляторы.

В сетях до 35 кВ часто для защиты используют открытые разрядные промежутки – защитные разрядники («рога») и трубчатые разрядники. Срабатывание таких разрядников вызывает резкий спад напряжения, возникновение переходных процессов и опасных перенапряжений на продольной изоляции высоковольтных устройств. Кроме этого, такие разрядники имеют крутую вольт-секундную характеристику, так как форма электрического поля резконеоднородная. Это не позволяет осуществлять защиту объектов в области коротких времен воздействия напряжения(грозовые перенапряжения).

Одним из лучших разрядников такого типа является трубчатый разрядник.

Трубчатый разрядник представляет собой дугогасительную трубку из полимеров, способных подвергаться термической деструкции с выделением значительного количества газов и без значительного обугливания - полихлорвинила или оргстекла, с разных концов которой закреплены электроды. Один электрод заземляется, а второй располагается на небольшом расстоянии от него (расстояние регулируется в зависимости от напряжения защищаемого участка). При возникновении перенапряжения пробиваются оба промежутка: между разрядником и защищаемым участком и между двумя электродами. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация (преимущественно углекислый газ), и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье, достаточное для гашения дуги.

 

Билет 12.

3. Основными елементами РВ являються многократний искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой. При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через розрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении імпульсного тока.

Одной из основних характеристик РВ является остающееся напряженение Uост, представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе, который называется током координации.(5-14кА в зависимости от РВ).

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ – напряжение гашения,а сопровождающий ток – током гашения.

Работа РВ начинается с пробоя искрового промежутка и заканчивается гашением дуги сопровождающего тока в этом промежутке. Для успешной защиты ПС –ой изоляции ВСХ РВ должна быть достаточно пологой.Гашение сопровождающего тока в искровых промежутках разрядников с магнитным гашением (серия РВМГ) происходит за счет вращения дуги в щели между двумя кольцеобразными электродами под действием магнитного поля постоянных магнитов.

1. Закон Пашена представляет собой частный случай закона подобия газовых разрядов: явления в разряде протекают одинаково, если произведение давления газа на длину разрядного промежутка остаётся величиной постоянной, а форма промежутка сохраняется геометрически подобной исходной. Закон Пашена является приближённым; он оправдывается на опыте с тем большей точностью, чем меньше р и d.

Фридрихом Пашеном было обнаружено, что напряжение пробоя описывается уравнением

.

где: V - напряжение пробоя в вольтах,

p - давление, d расстояние между плоскими электродами.

2.

 

 

 

Собственная емкость изолятора состоит 50-70 пФ величины конструктивных емкостей на провод составляют 0,3-0,5 пФ, а емкостей различием в площадях провода и опоры.

В связи с разностью конструкционных емкостей относительно провода и земли Із>Іпр

В т.А протекает малый ток Іпр,а вітекает большой Із.

Напряжение А- провод менше чем А –земля.

В святи с єтим Іпр прогрессивно уменьшается от фазы к земле. поетому падение напряжения на изоляторе резко неравномерно. Это приводит к недоиспользованию изоляторов, значительному уровню радиопомех и электрокорозии.

Чтобы приблизить распределение напряжения к ранвомерному надо уравновесить токи через конструктивные емкости так чтоб втекающий в узел ток был = вытекающему

 

 

Билет 13

 

3. В нелинейных ограничителях перенапряжений(ОПН) применяются резисторы, изготавливаемые на основе окиси цинка. От резисторов, применяемых в вентильных разрядниках и изготавливаемых на основе карборунда,они отличаются значительно большей нелинейностью. Вследствие этого при рабочем напряжении через резисторы проходит ничтожный ток, что позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения перенапряжений, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность.

Недостатком ОПН является возможность нарушения теплового баланса резистора и выхода его из строя при длительном прохождении тока более 1 мА. В связи с этим для ОПН устанавливаются предельные напряжения которые они могут выдержывать в течении определенного времени.

 

1. Для пробоя нужны высокие напряженности поля а значит а следовательно большые напряжения, при которых вероятность ионизации повышается. Если прийти к анализу левой ветви то однако при малых давлениях, когда длина свободного пробега электрона становится соизмеримой с длиной межэлектродного промежутка S, число столкновений электронов с атомами становится столь малым, что развитие лавины вследствие ударной ионизации затрудняется и для пробоя требуются высокие напряжения.

 

2.

Вентили и разрядники применяемые для защиты от перенапряжений представляют из себя конструкцию, которую вкл. в многозазорный разр. VD в которых обеспечивается однородное поле и нелинейного резистора 1, сопротивление которого с увеличением U уменьшается. Указанный разрядник можна представить виде рис.2. из которого следует что в момент набегания импульсной волны на 1 от фазы промежутке будет max U что вызовет эго пробой и каскадное перекрытие последующих.

Вследствии U на опорных изоляторах полностью повторяют расределение гирлянды изоляторов.

 

Билет №14

1. Анализ правой ветви закона Пашена.

При анализе кривой Пашена необходимо учитывать:

1)обьязательность создания эффективной лавины;

2)физический смысл коэффимциента α;

3)зависимость α от давления.

Рассмотрим 2 случая:

1) P=cost, S=var. При увеличении разрядного промежутка падали напряженности поля в промежутке. Для того чтобы поднять напряженность до разрядной, необходимо увеличить напряжение в промежутке. Левая ветка характерна малыми давлениями, поэтому для образования лавины при уменьшимся количестве соударений необходимо увеличить длину промежутка.

2)P=var, S=const. При увеличении давления происходит увеличение количества соударений, что приводит к уменьшению разрядного напряжения.

После прохождения минимума количество частиц в единице объема растет, что приводит к увеличению количества соударений и уменьшения вероятности ионизации.

2. Методы выравнивания распределения напряжения вдоль гирлянды подвесных линейных изоляторов и изоляционных конструкций.

Резкая неравномерность распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов приводит к недоиспользованию изолятора, значительному уровню радиопомех и электрокоррозии.

Чтобы приблизить распределение напряжения к равномерному желательно уравновесить токи через конструктивные емкости так, чтобы втекающий в узел ток был равный вытекающему. Это может быть осуществлено с помощью:

1) линейной аппаратуры гирлянд;

2)расщеплением фазного провода.

Указанные способы повышают емкость Спр и как следствие токи через них.

Одним из методов также будет увеличение емкости ближайших к фазе изоляторов.

3. Физика создания униполярных облаков.

Возникновение униполярного облака связано с тем, что частицы водяного пара, увлекаемые восходящими потоками воздуха, из-за уменьшения температуры воздуха с высотой замерзают. При уменьшении температуры пар конденсируется, замерзание капли начинается с периферии капель. Положительные ионы, существующие в капли, имеют направленное движение к периферии и замерзают в первоначальной образуемой оболочке капли. Оставшийся жидкий осадок внутри капли имеет отрицательный заряд. При дальнейшем замерзании и расширении внутренней части капли её объем увеличивается и происходит отслаивание положительной внешней оболочки от основного тела капли. Восходящими потоками воздуха эти достаточно легкие частицы капли переносятся на большую высоту, а массивные отрицательные ядра капель концентрируются в нижней части облака. Поэтому в основном разряд между облаком и землей происходит между отрицательной нижней частью облака и индуцированном на земли положительным зарядом.

 

 

Білет №15

1.

У випадку «голка –» електричне поле безпосередньо біля голки призводить до емісії електронів з катоду, які зразу попадають в сильне поле і створюють ударну іонізацію, створюючи велике число лавин. Електрони цих лавин, переміщуючись в слабкому полі біля аноду, втрачають швидкість, захоплюються нейтральними молекулами, стають від’ємними іонами які розсіюються в просторі. Позитивні іони лавини утворюють об’ємний заряд біля голки, який, взаємодіючи з зовнішнім полем, буде збільшувати напруженість безпосередньо біля голки і зменшувати – в решті частині проміжку. Зменшення напруженості електричного поля у зовнішньому просторі призводить до того, що для подальшої іонізації і цій частині проміжку необхідно значно збільшити різницю потенціалів меж електродами. Таким чином, розвиток стримера при «від’ємній» голці відбувається з великими труднощами, тому розрядна напруга за цих умов в 2-2,5 рази більша, ніж при додатній полярності голки.

 

2.

3.

 

 

Билет 16

1. Барьерный эффект.

Обычно в электрических устройствах применяется комбинированная изоляция: жидкие диэлектрики в сочетании с твердыми.

Барьером называется прямая перегородка из твердого диэлектрика, помещаемая в масляном промежутке между электродами. При наличии барьеров электрическая прочность изоляционных промежутков значительно возрастает. Это обуславливается двумя факторами. Барьер непроницаемы для ионов жидкости, они растекаются по его поверхности и заряжают ее. Следовательно электрическое поле в промежутке делается более равномерным, что приводит к увеличению разрядного напряжения. Также барьер затрудняет образование сплошных проводящих мостиков из волокнистых веществ, находящихся в масле. Действие барьеров более эффективно в неравномерных полях. В сравнительно равномерных полях, где эффект от выравнивания поля незначителен, эффективность барьера мала.

При использования барьеров напряженность электрического поля в жидкой изоляции возрастает. Связано это с различием диэлектрических постоянных.

При наличии барьеров:

Можно принять, что тогда ,

Как видно из последней формулы при наличии барьера напряженность эл.поля в масле возрастает. Несмотря на это, общее разрядное напряжение промежутка при наличии барьера все же оказывается значительно повышенным вследствие выравнивания электрического поля барьерами.

2. Розподіл початкових напруг повздовж обмотки силових високовольтних трансформаторів при набіганні на останню хвилі імпульсної напруги.

Эл.схема замещения обмотки трансформатора представлена на рис.

При набегании импульса волны в начальный момент времени в силу 2-го закона коммутации L представляет собой ∞ сопротивление, схема становится чисто емкостной. За счет отв. Продольного тока, токов через Споп распространение напряжения в начальный момент времени существенно нелинейное. Установившееся значение на обмотках зависит от положения ключа VD. При разомкнутом ключе потенциал обмотки постоянен, а при замкнутом – линейно спадает по обмотке. Колебательный переход из начального в установивш.распределение Uобуславливается наличием max потенциалов по обмотке. Кривые – max потенциал при изолированной и заземленной обмотке. Для улучшения распределения max потенциала желательно выровнять кривую начального распределения U. Это может быть осуществлено за счет дополнительных емкостей в схеме Сэ, через которые осущ. подпитка каждого узла, уменьшая отрицательное действие токов через поперечные емкости. Конструктивно такие емкости выполняются в виде незамкнутых емкостных витков и емкостных колец.

 

 

3. Електричні характеристики блискавки.

При расчетах грозоупорности электротехнических установок основной исходной величиной обычно является не напряжение, а ток молнии, так как непосредственно измерены могут быть только токи молнии. Ток молнии имеет форму апереодического импульса с длиной фронта до нескольких микросекунд и общей длиной 20-80 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии около 50 мкс, что и определило выбор длины волны стандартного импульса.

Если волна нейтрализации распространяется вверх со скоростью v, то амплітуда тока

Если провод замыкается на землю через некоторое сопротивление R, то ток уменьшается и определяется как

Z-эквивалентное волновое сопротивление канала молнии.

На рисунке видно, что ток молнии должен зависеть от значения сопротивления в месте удара, например от сопротивления возвышающегося объекта.

Оценка волнового сопротивления канала молнии дают значения 1,1-8,0 кОм. Теоретические исследования показывают, что при предельно больших амплитудах тока молнии Z влияние сопротивления заземления, по крайней мере до R=50 Ом, невелико, и с достаточной степенью точности для расчетов молниезащиты можно принимать эквивалентное сопротивление канала молнии бесконечно большим, т.е. рассматривать молнию как источник тока.

С точки зрения электромагнитного воздействия на установки высокого напряжения важное значение имеют форма и значение тока главного разряда. Важнейшей характеристикой является максимальное значение тока молнии, часто называемое просто током молнии.

При максимальном значении тока молнии создаются наибольшие падения напряжения на активных сопротивлениях – волновых сопротивлениях провода и сопротивлениях заземления.

Крутизна фронта молнии: определяет индуктивные падения напряжения в проводниках и индуктированные напряжения в магнито-связанных цепях. При оценочных расчетах можно использовать усредненные распределения тока молнии и крутизны его фронта для отрицательных нисходящих от облака молнии без учета различия первого и последующих компонентов.

При проектировании молниезащитных устройств необходимо учитывать тепловое и электродинамическое действия молнии. Значение зарядов, переносимых молнией, характеризуют энергию, выделяющуюся в точке удара молнии, и расплавление металла в этом месте.

Интеграл квадрата тока – определяет механическое воздействие и нагрев проводников при прохождении по ним тока молнии.