Вольт секундная характеристика изоляции

При кратковременном приложении напряжения, когда время приложения напряжения сопоставимо со временем развития пробоя, процесс пробоя изменяется с изменением пробивного напряжения, что отличает эту ситуацию от медленно нарастающего напряжения.

Время запаздывания разряда, следовательно, и полное время разряда являются величинами статистическими. Зависимость среднего времени разряда от амплитуды приложенного напряжения называется вольт-секундной характеристикой.

Вольт-секундные характеристики имеют особое значение в вопросах защиты оборудования от перенапряжений, когда защитными элементами служат искровые промежутки, вентильные и трубчатые разрядники. При воздействии грозовых перенапряжений факт пробоя защитного промежутка или защищаемой изоляции определяется видом вольт-секундных характеристик и их взаимным пересечением (рис. 2).

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции. При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения U_пад происходит пробой ПЗ с последующим резким падением («срезом») напряжения.

Рис. 2. Вольт-секундные характеристики промежутков разных типов

Вольт-секундные характеристики промежутков с однородным и слабонеоднородным электрическим полем имеют более пологий вид по сравнению с промежутками с резконеоднородным полем. Защитный промежуток S1 (рис. 2) не обеспечит защиту изоляции S2 при предразрядных временах менее t_пр * , хотя на частоте 50 Гц пробивное напряжение S1 может быть меньше, чем у S2.

8. Как влияет влажность воздуха на разрядные напряжения промышленной частоты и импульсные в однородном и неоднородном полях?

Как показывают эксперименты, разрядное напряжение воздушных промежутков и изоляторов зависит от плотности воздуха и от его влажности, причём влияние влажности возрастает с увеличением степени неоднородности поля. Нормальная абсолютная влажность принята 11 г/м 3 . Все опытные кривые разрядных напряжений, как правило, приводят к нормальной плотности и влажности воздуха. Если необходимо определить разрядное напряжение при условиях, отличающихся от нормальных, используют формулу

где U _рн -разрядное напряжение при нормальных атмосферных условиях : р=760 мм. рт. ст. или 1,013*10 5 Па, t° = 20°С, к= 11 г/м 3 ;

к – поправочный коэффициент на влажность воздуха, определяется из таблиц. Для однородного и слабооднородного поля к=1.

9. Причины развития поверхностных разрядов в однородном и неоднородном полях. (см. МУ к лаб. раб. № 6)

Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называетсявольт-секундной характеристикой изоляции. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависят от значения напряжения, вольт-секундные характеристики зависят от формы импульса.

Импульсное 50%-ное разрядное напряжение практически совпадает со средним значением минимального импульсного разрядного напряжения промежутка.

С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных конструкций установлен стандартный грозовой импульс с длительностью фронта (возрастания напряжения) τф =1,2 ± 0,4 мкс и длительностью импульса τи = 50 ±10 мкс и обозначается 1,2/50 мкс (рис. 1.15).

Коэффициент импульса Кимп=Uр/U

Промежутки с однородным и слабонеоднородным полями имеют коэффициент импульса KИМП =1 практически во всем диапазоне времен разряда. Вольт-секундные характеристики широко используются для координации изоляции высоковольтного оборудования, т. е. для защиты от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8846 – | 7556 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

При кратковременных импульсах значение разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от продолжительности воздействия [4]. Если к промежутку приложено напряжение достаточное для пробоя, то для развития и завершения разряда необходимо определенное время называемое временем разряда (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Временная структура развития разряда на импульсном напряжении

В общем случае время разряда формируется так:

Время начала ионизации – время, в течение которого напряжение в диэлектрике достигает величины , равной минимальному пробивному. Следовательно, разряд в твёрдом диэлектрике до момента принципиально произойти не может.

Статистическое время запаздывания пробоя протекает от момента, когда величина напряжения достигает минимального значения, при котором может начаться пробой, до момента, когда процесс фактически начнется. Длительность этого интервала времени зависит от вероятности появления эффективного электрона, способного развить самостоятельный разряд. Электрон в газе появляется в основном в результате действия внешнего ионизатора. В твёрдых диэлектриках всегда находится достаточное количество свободных электронов, появление которых обусловлено поглощением излучений, тепловым возбуждением, несовершенством диэлектрика. Статистическое время запаздывания пробоя для твердых и жидких диэлектриков составляет порядка 10 -9 с [5].

Другой составляющей, имеющей также статистический характер, является время формирования разряда – время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка. Время называют временем запаздывания развития разряда.

Составляющие времени разряда и зависят от значения напряжения на промежутке. При увеличении напряжения повышается вероятность того, что появляющиеся электроны станут эффективными, и уменьшается. Сокращается также и , поскольку при большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов и скорость продвижения канала разряда в промежутке. Поэтому чем выше разрядное напряжение, тем меньше время разряда.

Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называется вольт-секундной характеристикой изоляции. Эта характеристика представляет собой важнейшую зависимость, используемую при выборе уровня изоляции и оценке ее эксплуатационных возможностей.

Для экспериментального определения вольт-секундной характеристики к исследуемому промежутку прикладываются импульсы стандартной формы. При каждом значении максимального напряжения импульса производится серия опытов. В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная характеристика получается в виде области точек (рис. 1.3), для которой указываются средняя кривая и границы разброса времени разряда.

Рис. 1.3. Построение вольт-секундной характеристики изоляции по опытным данным: 1 – импульс напряжения, 2 – кривая средних значений пробивного напряжения, 3 – границы разброса пробивных напряжений

Получение возможности определения вольт-секундных характеристик расчетным или расчетно-экспериментальным путем позволяет значительно упростить исследовательскую и проектную работу, а кроме того, позволяет направить внимание на исследование влияния различных факторов на сравнительно небольшое число параметров, что облегчило бы дальнейшее углубление познаний в области поведения изоляции при импульсах. F. W. Peek, исходя из предположения, что для пробоя искрового промежутка требуется определенное количество энергии, и, предполагая, что потеря энергии следует квадратичному закону, как и потери на корону, получил уравнение вольт-секундной характеристики в виде [6]:

где t – время разряда, мкс, a и E0 – постоянные для данного искрового промежутка.

Проверка этого уравнения на ряде экспериментальных кривых показала, что в некоторых случаях получаемая точность является не вполне достаточной.

Учеными А.А. Горевым и Л.Е. Машкилейсоном было испробовано уравнение[7]:

где T и E₀ – постоянные для данного искрового промежутка.

Уравнение было выведено исходя из предположений:

1. Для разряда при импульсах необходимо, чтобы полная энергия волны минус энергия, соответствующая напряжение E₀ за время разряда t, была бы постоянной величиной;

2. Ток за всё время разряда t является пропорциональным напряжению;

3. Волна импульса имеет прямоугольную форму.

Тщательная проверка, таким образом, точности предложенного уравнения почти на всех опубликованных в литературе вольт-секундных характеристиках дала весьма хорошие результаты.При этом вид уравнения сохраняется одинаковым для различных волн импульса.

При исследовании импульсных характеристик линейной изоляции и искровых промежутков были получены серии формул, в результате оказалось возможным с отклонениями ±5 % уложить всю серию наблюдения положительной полярности в одну общую формулу:

где E – разрядное напряжение в кВ, S – расстояние между электродами разрядника в см, t – предразрядное время в мкс.

Для импульсов отрицательной полярности:

Результаты были отнесены к плотности воздуха д=1 и к нормальной влажности воздуха в 14,87 г/м 3 .

В технике высоких напряжений большое внимание уделяется вопросу защиты от воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений. Для расчета грозоупорности используются ВСХ разрядных промежутков, которые определяются экспериментально путем приложения импульсов стандартной формы. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных конструкций установлен стандартный грозовой импульс с длительностью фронта мкс и длительностью импульса мкс.

В данной работе, посвященной разработке установки для исследования вольт-секундных характеристик сред применительно к высоковольтным импульсным технологиям, рассмотрен нестандартный импульс, который определяется не грозой и не гирляндой изоляторов, а конкретным технологическим оборудованием.Для прогнозирования поведения изоляции под воздействием импульсов нестандартных форм доступны различные аналитические методы.

Наиболее эффективный подход к проблеме – разработка процедуры аналитического прогнозирования, позволяющей на основе данных по перекрытию стандартным импульсом описать характеристики изоляции как функцию от одного или нескольких параметров нестандартного импульса.

Основные предположения одинаковы для всех рассматриваемых методов. Это предположение, что есть минимальное напряжение (e₀), которое должно быть превышено до того как любой процесс пробоя может начаться (или продолжаться), и во-вторых, что время перекрытия зависит и от величины, и от длительности превышения приложенным напряжением величины e₀.

В общем виде интегрального метода, у напряжения и времени может быть разная значимость. Пробивная сила воздействующей волны определяется из следующей формулы [8]:

где e(t) — зависимость напряжения от времени; t0 — время, при котором e(t) впервые превышает e0; К — эмпирическая константа;

Предполагается, что существует уникальный набор констант, связанных с пробоем для каждой конфигурации изоляции, которые могут быть определены по стандартным опытным данным. Характеристики перекрытия нестандартной волной могут быть определены путем нахождения значений амплитудного напряжения (E_s) и t равного предразрядному времени (T_s), которые при подстановке в правую часть уравнения дают критическую пробивную силу (DE). При применении этого уравнения для различных исследований возникли трудности при выборе констант. Удобнее работать с упрощением: e₀ (и t₀) принимаются равными нулю, тогда:

Также возможно применение другой формы уравнения, а именно: K принимается равным единице (критерий равных площадей):

При изучении данного аналитического метода были проведены серии экспериментов для типичных воздушных промежутков при воздействии стандартных волн и для нескольких нестандартных, включая длиннофронтовые, частично-срезанные и колебательные волны. Выбор подходящих констант с использованием стандартных характеристик разряда был исследован для обеих форм интегрального уравнения, а именно, e₀ равное нулю и K равное 1. В первом, лучшие результаты были получены при исходных точках во времена пробоя 1,5ч7 мкс на стандартных вольт-секундных характеристиках. В последнем (метод эквивалентных площадей) константу e₀ целесообразно выбрать как величину, при которой K=1 в уравнении. Анализ различных комбинаций e₀, К и DE принес важный результат, что величина e₀, соответствующая K=1 дает наилучшее соответствие между расчётными и экспериментальными результатами по стандартной волне, для всех исследованных промежутков, кроме промежутка стержень-плоскость.

Для подробно рассмотренных нестандартных волн (длиннофронтовые, частично-срезанные волны), метод эквивалентных площадей при K=1 в целом дал лучшее соответствие между рассчитанными и экспериментальными 50 %-ми разрядными напряжениями и вольт-секундными характеристиками.

Была предложена модификация интегрального метода, в которой предполагается, что необходимо учитывать динамическое изменение критического напряжения, необходимого для поддержания начавшегося разряда (e₀) по мере того как лидер движется по промежутку.

В данной работе, посвященной исследованиям вольт-секундных характеристик сред применительно к высоковольтным импульсным технологиям, для аналитического описания вольт-секундных характеристик используется метод, предложенный Ромпе и Вайцелем [9].

Исходя из условия баланса энергии для искрового канала, зависимость сопротивления искры от тока и времени имеет следующий вид:

При этом предполагалось, что в течение времени существования искрового канала падение потенциалов на электродах пренебрежимо мало по сравнению с общим напряжением в области разряда, удаленной от электродов. Ток разряда и напряженность в этом случае будут связаны соотношением:

где – концентрация и подвижность электронов, – радиус канала.

Внутренняя энергия искрового канала включает в себя энергию поступательного движения атомов, ионов и электронов, энергию, затраченную на ионизацию (в случае молекулярных газов также и энергию возбуждения колебательных и вращательных состояний), и энергию диссоциации. Предполагается, что электронный газ, получающий энергию от поля, так медленно передает ее тяжелым частицам плазмы, что за рассматриваемые промежутки времени ни кинетическая энергия ионов, атомов или молекул, ни степень возбуждения колебательных или вращательных состояний заметно не изменяется. Следовательно, внутренняя энергия в канале разряда полностью затрачивается на процессы ионизации, возбуждение молекул и на нагрев электронного газа. При этих условиях можно принять, что внутренняя энергия единицы длины канала

Предполагается также, что потери энергии на теплопроводность, излучение, а также на расширение канала отсутствуют. В этом случае уравнение баланса энергии в канале примет вид

Перечисленные выше предположения справедливы только для разрядов малой длительности в высоких электрических полях. Из приведенных выше формул следует, что проводимость единицы длины канала разряда

где , – коэффициент, определяемый экспериментально для разных газов. Основным допущением в теории Ромпе и Вайцеля является то, что не зависит от времени.

Модель Ромпе и Вайцеля хорошо применима для импульсов нестандартных форм на малых временах, которые соответствуют примерно области применения технологических установок. К недостаткам модели можно отнести то, что она не учитывает физики процесса, поэтому плохо описывает развитую стадию разряда. Для того чтобы модель Ромпе и Вайцеля стала учитывать статическую электрическую прочность, т.е. приблизилась к реальным характеристикам, ее можно скорректировать, если в формулу проводимости ввести затухающий экспоненциальный множитель.