150380 (Исследование распределения напряжения по гирлянде изоляторов)

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Филиал в г. Миассе

ЭТФ

Лабораторная работа №4

Предмет: «Перенапряжения в системах электроснабжения»

Тема: «Исследование распределения напряжения по гирлянде изоляторов»

Выполнили: студенты 546 гр.

Проверил: Пястолов В.В.

2008

Содержание

Предварительные сведения 3

Описание установки 10

Измерения с помощью шаровых разрядников 12

Вывод 14

Предварительные сведения

На изоляцию электротехнических установок иногда воздействуют импульсы напряжения, возникающие в результате разряда молнии. Напряжение при этом действует кратковременно, и так как пробой изоляции не может происходить мгновенно, её импульсная прочность отличается от прочности при длительном приложении напряжения. Чем больше амплитуда импульсного напряжения, тем меньше время для формирования самостоятельного разряда. Пробой может произойти и на фронте импульса, и на его амплитуде, и после прохождения напряжением амплитудного значения. Поэтому при воздействии импульса в качестве разрядного напряжения принято считать наибольшее напряжение, которое было на изоляции до момента ее пробоя.

При длительном воздействии напряжения условию возникновения самостоятельного разряда соответствует начальное напряжение U₀. Для промежутков с однородным электрическим полем величина U₀ совпадает с минимальным разрядным напряжением. В промежутках с резконеоднородным полем начальное напряжение соответствует появлению короны и может быть значительно меньше разрядного (т.е при котором наблюдается полный пробой промежутка). Следует обратить внимание на то, что как в случае однородного, так и резконеоднородного электрических полей при кратковременном воздействии на изоляцию напряжения импульсной формы с амплитудой U_m, значительно большей U₀, разряд не обязательно произойдёт.

Рассмотрим основные этапы развития разряда при воздействии на воздушный промежуток короткого импульса (до 100 мкс) с крутым фронтом (рисунок 1), близкого по форме к импульсу атмосферного перенапряжения.

Рисунок 1. Составляющие времени разряда при воздействии короткого импульса

До тех пор, пока напряжение на изоляции не достигнет величины U₀, пробой произойти не может. Требуемое для этого время t_х обычно называют холостым временем. Оно будет уменьшаться с увеличением скорости нарастания напряжения на фронте импульса и с уменьшением значения U₀. Последнее, как известно, зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке, давления и температуры воздуха и других факторов.

Для начала формирования разряда необходим хотя бы один эффективный электрон, т.е. электрон, способный создать лавину. Время, затрачиваемое на появление такого электрона, называется статистическим временем запаздывания t_с. Само название указывает на случайный характер этого параметра, зависящего от большого количества факторов, и способного меняться в достаточно широких пределах. Увеличение амплитуды прикладываемого напряжения вызывает усиление электрического поля в межэлектродном промежутке. Поэтому свободные электроны быстрей приобретают энергию ионизации. В результате повышается вероятность появления эффективного электрона и уменьшается время t_с.

Следующий интервал времени называется время формирования разряда t_ф. Оно необходимо для образования лавины, стримера, главного разряда (а в длинных воздушных промежутках и лидера) и также имеет значительный статистический разброс. Кроме указываемых ранее факторов время формирования зависит от случайного расположения свободных электронов и лавин, случайного характера траектории разряда. Увеличение воздействующего напряжения, а значит и напряжённости электрического поля в промежутке, способствует развитию ионизационных процессов и сокращению времени формирования разряда. Однако это влияние проявляется в разной степени в промежутках с однородным и резконеоднородным электрическими полями.

Сумму статистического времени запаздывания и времени формирования разряда принято называть временем запаздывания t_з = (t_с + t_ф).

Итак, полное время разряда в промежутке t_р складывается из времени нарастания приложенного напряжения до начального для данного промежутка – холостого времени t_х, статистического времени запаздывания t_с и времени формирования разряда t_ф. При этом время разряда, подобно его составляющим, является величиной случайной, зависящей от многих факторов и имеющей существенный статистический разброс. Пробой промежутка будет происходить в том случае, если его время разряда при воздействии импульса напряжения с определенной амплитудой окажется не меньше длины импульса. При этом будет наблюдаться срез импульса в малой окрестности времени t_р (см. рисунок 1). В противном случае разряд в промежутке не произойдёт.

Время запаздывания разряда зависит не только от амплитуды воздействующего импульса, но и от его формы. Так, увеличение скорости нарастания напряжения на фронте при неизменной амплитуде (т. е. увеличение крутизны фронта импульса), очевидно, вызовет уменьшение времён t_х и t_с, а значит и всего времени разряда. При уменьшении длины импульса разряд может не успеть сформироваться, и пробоя промежутка не будет. Поэтому, с целью унификации испытаний и возможности последующего сопоставления их результатов, импульсную прочность изоляции определяют приложением к ней стандартного грозового импульса, близкого по форме к среднестатистическому импульсу атмосферного перенапряжения. Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует в качестве стандартного апериодический импульс напряжения с длиной фронта τ_ф, равной 1,2 мкс ± 30%, и длиной волны τ_и, равной 50 мкс ± 20% (рисунок 2). Обозначают его как импульс 1,2/50. Кроме стандартного грозового импульса для определения импульсной прочности изоляции используют и срезанный импульс длиной 2…3 мкс (стандартный импульс, срезанный в окрестности амплитуды). При этом за длительность фронта импульсного напряжения принимают время нарастания напряжения до амплитудного значения при показанной на рисунке 2 аппроксимации фронта, а за длительность импульса – время от его начала до момента, когда напряжение снижается до половины от амплитудного значения.

Рисунок 2. Стандартный грозовой импульс и его параметры

Наиболее полную информацию об импульсной прочности изоляционных промежутков дают их вольт-секундные характеристики, получаемые путем многократного приложения к ним стандартного грозового импульса напряжения. Вольт-секундная характеристика (ВСХ) изоляционного промежутка – это зависимость среднего времени разряда от амплитуды приложенного к промежутку напряжения. Поскольку ВСХ обычно строят в координатах t – u, то часто её называют зависимостью разрядного напряжения от времени действия импульса. Следует заметить, что такое определение ВСХ соответствует её графическому изображению, но не совсем точно отражает её суть.

Методика построения вольт-секундной характеристики по результатам испытаний с помощью осциллографа показана на рисунке 3. Здесь приведена серия совмещённых осциллограмм напряжения на исследуемом промежутке, полученных при различных амплитудах воздействующего импульса, но неизменных величинах τ_ф и τ_и, соответствующих стандартному импульсу.

При воздействии импульсов с относительно небольшой амплитудой разряды происходят на хвосте волны. При этом координаты точек ВСХ определяются амплитудой приложенного импульса и временем разряда (см. рисунок 3, точки 1, 2, 3). Максимальное время разряда соответствует минимальной амплитуде импульса, ещё достаточной для разряда в промежутке, которая и принимается равной минимальному разрядному напряжению U_pmin. С увеличением амплитуды импульса время разряда уменьшается. При разрядах на фронте волны точки ВСХ строятся по величине напряжения, достигнутого к моменту разряда (см. рисунок 3, точка 4).

Рисунок 3. Построение вольт-секундной характеристики изоляции

Необходимо ещё раз отметить, что использование стандартной испытательной волны позволяет сравнивать импульсные прочности различных изоляционных конструкций, испытанных на разных установках, путем сопоставления их ВСХ.

Приведенная выше методика не учитывает чрезвычайно важного обстоятельства, связанного со статистическим характером процессов в разряде. При многократной подаче на объект даже строго нормированных по величине и форме импульсов напряжения время разряда не будет одинаковым. Это связано с тем, что составляющие времени разряда носят статистический характер, поскольку соответствующие явления обусловлены множеством действующих причин. Таким образом по результатам испытаний изоляционного промежутка получается область точек (полоса), которую можно окаймить верхней и нижней огибающими. С целью упрощения вольт-секундной характеристикой исследуемого изоляционного промежутка можно считать среднюю линию данной области.

Известно, что для каждого значения t_p разрядное напряжение подчиняется нормальному закону распределения. Средняя линия на рисунке 3 соответствует средним значениям разрядного напряжения (математическому ожиданию величины разрядного напряжения U_p) для каждого t_p. Отклонения от среднего, как известно, оцениваются величиной среднеквадратичного отклонения σ_U.

Если огибающие вольт-секундной характеристики проводить на расстоянии ±2σ_U, то при каждом t_p вероятность попадания U_p в зону между огибающими составляет 97,7%. Проведение огибающих на расстояние ±3σ_U от средней линии повышает вероятность попадания до 99,9%. Для длинных воздушных промежутков с резко неоднородным полем значение σ_U оценивается в 2,5…3% от среднего значения напряжения. В коротких промежутках с однородным полем значение σ_U резко снижается, особенно при облучении промежутка. Поэтому ширина зоны (области), занятой ВСХ промежутка, тем уже, чем однороднее его электрическое поле.

Вид вольт-секундной характеристики изоляционного промежутка определяется характером электрического поля в нём (рисунок 4). Различие связано с тем, что в промежутках с однородным и резконеоднородным полями составляющие полного времени разряда имеют разное долевое участие.

Рисунок 4. Вольт-секундные характеристики промежутков с однородным и резконеоднородным электрическими полями

В случае однородного поля напряженность во всех точках промежутка практически одинакова, а значит условие появления самостоятельного разряда (E₀ ≥ 25…30 кВ/см) выполняется в них одновременно. Поэтому при появлении эффективного электрона разряд формируется в условиях сильного поля очень быстро, т.е. время формирования разряда t_ф незначительно, и им можно пренебречь по сравнению с другими составляющими. Следовательно, время разряда в промежутке с однородным электрический полем практически определяется лишь холостым временем и временем ожидания появления первого эффективного электрона, т.е. t_р ≈ (t_х + t_с). При этом минимальное разрядное напряжение, соответствующее горизонтальному участку ВАХ и амплитуде импульса перенапряжения, ещё вызывающего разряд в промежутке, практически равняется начальному напряжению (U_pmin ≈ U₀), а соответствующее время разряда при воздействии импульса стандартной формы не превышает 2…3 мкс. Оно резко уменьшается с увеличением амплитуды импульса, так как уменьшаются t_х и t_с. В результате ВСХ промежутка с однородным электрическим полем имеет практически горизонтальный участок при временах разряда в несколько микросекунд и резкий подъём при малых разрядных временах (1 мкс и менее).

Такой вид ВСХ позволяет использовать промежутки с однородным полем для измерения амплитуды приложенного напряжения. Добившись режима минимального разрядного напряжения промежутка, например шар – шар, с достаточной степенью уверенности можно полагать, что амплитуда воздействующего импульса практически равняется начальному напряжению (U_m = U_pmin ≈ U₀). Последнее, в свою очередь, может быть взято из таблиц пробивных напряжений для стандартных шаровых разрядников при известном диаметре шаров и расстоянии между ними.

В промежутках с резконеоднородным электрическим полем вольт-секундная характеристика имеет круто падающий характер в широком диапазоне значений времени разряда (см. рисунок 4). Такой вид ВСХ обусловлен тем, что в резконеоднородном поле самостоятельный разряд начинает развиваться в виде коронного около электрода с малым радиусом кривизны при небольшом начальном напряжении, заметно меньшем, чем в однородном поле при прочих равных условиях. При этом из зоны коронирования испускаются электроны, которые при дальнейшем нарастании напряжения способны стать эффективными в ещё неионизированной части промежутка и обеспечить прорастание канала разряда к противоположному электроду. Поэтому времена t_х и t_с в условиях неоднородного поля являются минимальными, существенно не влияющими на величину полного времени разряда. Напротив, время формирования разряда t_ф является существенной величиной, так как в резконеоднородном поле канал разряда формируется при относительно небольшой средней напряжённости в межэлектродном промежутке (E_ср = 4,5…10 кВ/см в зависимости от полярности импульса, длины промежутка и степени неоднородности поля). Это обстоятельство заметно снижает интенсивность ионизационных процессов в глубине промежутка, а значит, и замедляет развитие лавин, стримера и лидера. Из вышесказанного следует, что в условиях резконеоднородного поля время разряда в основном определяется временем формирования. Причём с увеличением амплитуды воздействующего импульса время формирования t_ф, а значит и разряда t_р, заметно уменьшаются в достаточно широком диапазоне, так как возрастает напряжённость в канале разряда.

Вольт-секундные характеристики используются для построения рациональной защиты изоляции от атмосферных перенапряжений (рисунок 5).