4.9 Развитие разряда в неоднородном поле

Слабонеоднородные и резконеоднородные поля. Характерной особенностью неоднородного поля является неравномерное распределение напряжённости поля в пространстве. Наибольшая величина напряжённости имеет место у электрода с наименьшим радиусом кривизны. Если электроды одинаковой формы, то наибольшая напряжённость будет у электродов, а наименьшая - в середине между электродами.

Рисунок 4.25 - Примеры неоднородных полей

Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряженности (Е_м) к средней напряжённости поля . Для однородного поля , а в неоднородных полях он увеличивается при увеличении расстояния между электродами и уменьшении их радиуса кривизны. Неоднородность электрического поля может оказать существенное влияние на развитие разряда между электродами.

В зависимости от степени неоднородности в промежутке возможны три случая возникновения самостоятельного разряда:

- начальная лавина пересекает весь промежуток, и после этого образуется анодный стример;

- начальная лавина пересекает часть промежутка, но после образования стримера напряжённость в остальной части пространства обеспечивает распространение этого стримера вплоть до противоположного электрода;

- начальная лавина пересекает незначительную часть пространства, и образовавшиеся стримеры не могут распространиться до противоположного электрода.

Самостоятельный разряд, охватывающий только часть пространства, прилегающую к электроду с малой кривизной, называется коронным разрядом. Для осуществления полного пробоя промежутка в этом случае необходимо напряжение поднять значительно выше напряжения зажигания самостоятельного разряда.

Первые два случая принято называть слабонеоднородными полями. В них корона не возникает и выполнение условия самостоятельности разряда приводит всегда к полному пробою промежутка. Третий случай соответствует резконеоднородным полям, в которых напряжение пробоя значительно выше напряжения короны и сильно сказывается влияние полярности электродов. Четкой границы между ними нет. Однако можно принять для слабонеоднородных полей коэффициент неоднородности К < 2, а характерные особенности развития разряда в резконеоднородных полях начинают чётко проявляться при К > 4.

В однородных полях при напряжении меньше разрядного ионизация в промежутке практически отсутствует. Поэтому начальная лавина в однородном поле развивается практически при отсутствии объёмного заряда. Приблизительно такие же условия имеют место и в слабонеоднородных полях.

В резконеоднородных полях условия развития разряда совершенно иные. Так, например, в цилиндрическом конденсаторе r = 0,1 и R = 5 см напряжение пробоя U_пр = 90 кВ, а напряжение короны U_к = 30 кВ, что соответствует напряжённости на внутреннем электроде 230 и 77 кВ/см. Поэтому даже при напряжении в 2 раза меньше коронного и в 6 раз меньше разрядного напряжённость превышает 30 кВ/см. Если напряжение увеличивается медленно, то ещё задолго до появления короны в непосредственной близости от внутреннего электрода будет происходить довольно интенсивная ионизация (несамостоятельный разряд) Объёмные разряды, создаваемые предварительной ионизацией, оказывают существенное влияние на дальнейший процесс, и с ними необходимо считаться.

Пересечение стримером при любой полярности всего межэлектродного промежутка обеспечивает полный пробой, но не является последней стадией разряда. Канал стримера является проводящим и напряжённость поля в канале невелика. Поэтому стример является как бы продолжением стержня, и его головка имеет потенциал, близкий к потенциалу стержня. Когда стример приблизится к противоположному электроду достаточно близко, напряжённость поля в непробитой части сильно возрастает и возникает весьма интенсивная ионизация, превращая этот промежуток в плазму с высокой проводимостью (плотность ионов больше чем в канале стримера). Напряжённость поля на границе вновь образованного канала возрастает и приводит к распространению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню (рисунок 4.26).

Этот процесс называют обратным или главным разрядом. Обратный разряд развивается в направлении к стержню с очень большой скоростью ~ 10⁹ см/с. Он обеспечивает создание канала высокой проводимости, через который начинает проходить ток короткого замыкания источника.

Переход стримера в искровой разряд в длинных воздушных промежутках. Лидерная стадия заряда. В воздушных промежутках (единицы и десятки метров) разряд приобретает новые качественные особенности. Проводимость стримеров уже недостаточна для создания хорошего проводящего канала между электродами, и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой, так называемой лидерной форме. Схема развития положительного лидера (по Стекольникову) представлена на рисунке 4.27.

Рисунок 4.26 - Стадии развития обратного разряда и распределение продольной напряженности электрического поля в канале



Рисунок 4.27 - Схема развития положительного лидера (по Стекольникову): а - распространение лидера по каналу стримера mк; у головки стримера происходит образование новых лавин; б - завершение переработки канала стримера в лидер; в - образование нового стримера к1 и новых лавин

Рисунок 4.28 - Последовательность стадий разряда в однородном и резконеоднородном полях

Когда лидерный канал достигает конца стримера, наступает пауза. Высокие напряженности на конце лидера приводят к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал.

В длинных воздушных промежутках разряд происходит при пониженных напряжённостях поля, порядка Ер = (1-2) кВ/см.

Это свойство лидерного разряда создаёт трудности в построении ЛЭП сверхвысокого напряжения.

В длинных воздушных промежутках (сотни и тысячи метров) между облаком и землёй возникает молния. Гипотеза М. В. Ломоносова (1753 г.), считавшего молнию как разряд атмосферного электричества на землю или между облаками, лежит в основе современных теорий развития грозы.

Различают три типа гроз: фронтальные, тепловые и зимние. Последние являются редким явлением, причина которых заключается в фотоионизации кристалликов льда в верхних слоях атмосферы.

Электрический разряд между заряженными областями грозового облака и землёй может происходить в виде линейной, шаровой молний и тихого разряда (рисунки 4.29, 4,30).

Рисунок 4.29 - Типичное распределение зарядов внутри грозового облака

Линейная молния в основных чертах подобна электрическому разряду между электродами генератора импульсных напряжений (ГИН). Она отмечается наиболее часто и является источником возникновения атмосферных перенапряжений.

Шаровая молния изучена в настоящее время недостаточно.

Тихий разряд (огни Святого Эльма) возникает на острых возвышающихся предметах во время грозы при высокой напряженности электрического поля над поверхностью земли или над мачтами судов в открытом море.

Схема развития лидера линейной молнии приведена на рисунке 4.31. Прорастание канала нисходящего лидера до поверхности земли является завершением начальной стадии развития молнии - создания непрерывного проводящего канала от заряженной части облака к земле. В ряде случаев объёмный заряд начинает стекать по каналу в землю, приводя к новому этапу - главной стадии разряда.

Процесс превращения канала лидера в канал главной стадии распространяется от земли к облаку с большой скоростью. Яркое свечение канала главной стадии и воспринимается глазом как вспышка молнии, а быстрое расширение газа при нагреве током главной стадии, его последующее охлаждение и сжатие порождает акустическую волну - гром молнии.

Рисунок 4.30 - Схема образования шаровой молнии

Рисунок 4.31 - Схема развития лидера молнии

Барьеры в резконеоднородном поле. В резконеоднородном поле прочность промежутка может быть повышена введением в разрядный промежуток барьера. Барьером называется тонкая пластинка из изолирующего материала, которая устанавливается в газовом промежутке (или масляном). В газовом промежутке, о котором шла речь раньше, электрическая прочность барьера не играет существенной роли. Поэтому с успехом может быть использована в качестве барьера плотная бумага.

Значительное влияние барьера в газовой среде на электрическую прочность промежутка связано с изменением пространственного объёемного заряда, создающегося в процессе развития ионизации. Рассмотрим вначале промежуток остриё - плоскость при положительной полярности острия.

При установке барьера положительные ионы задерживаются барьером и растекаются по его поверхности. Распределение ионов по барьеру оказывается тем равномернее, чем дальше от стержня расположен барьер. Напряжённость поля во внешней области, как и прежде, будет увеличиваться, но теперь это повышение напряжённости распространяется по всему внешнему пространству более равномерно и сильного повышения напряжённости на барьере не происходит. Поэтому при положительной полярности стержня барьер, установленный вблизи у стержня, но не в непосредственной близости от него, приводит к значительному увеличению напряжения.

Иначе дело обстоит при отрицательной полярности острия. Электроны тормозятся барьером и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют отрицательные ионы, распространяющиеся по поверхности барьера. Таким образом, барьер способствует созданию концентрированного отрицательного объёмного заряда, который при отсутствии барьера, как мы отмечали ранее, имел меньшую величину (часть доходила до плоскости) и был рассеян в пространстве. Поэтому, если раньше играл основную роль положительный объёмный заряд, который ослаблял напряжённость во внешнем поле, теперь эту роль играет отрицательный сконцентрированный заряд, который увеличивает напряжённость во внешнем поле. Следовательно, при отрицательной полярности острия установленный барьер в середине промежутка должен уменьшать разрядное напряжение. Эксперименты показывают, что при расположении барьера в середине промежутка разрядные напряжения при положительной и отрицательной полярности приблизительно одинаковы. Можно считать, что в этом случае прочность всего промежутка в значительной мере определяется прочностью промежутка между барьером и плоскостью, обладающей относительно однородным полем.



Рисунок 4.32 - Распределение напряжённости поля в промежутке «положительный стержень - отрицательная плоскость» при наличии барьера

При расположении барьера вблизи острия при положительной полярности объёмный заряд распределяется неравномерно, напряжённость поля на барьере оказывается довольно большой и достаточной для ионизации по другую сторону. Положительные ионы, образующиеся там, не задерживаются барьером и способствуют развитию разряда в глубь промежутка.

При отрицательной полярности барьер не может задерживать электроны, летящие с большой скоростью, и значительного отрицательного заряда на барьере не возникает. Положительные ионы, созданные при ионизации по другую сторону, заряжают барьер положительно и приводят к большему уменьшению поля во внешней среде. Поэтому при отрицательной полярности расположение барьера вблизи к острию может привести к незначительному возрастанию разрядного напряжения. Наличие пор в результате пробоя может полностью уничтожить его положительное действие. При переменном напряжении пробой происходит во время полупериода той полярности, при которой разрядное напряжение ниже. Поэтому при промышленной частоте влияние барьеров такое же, как и при постоянном напряжении положительной полярности.

4.10 Разряд в газе вдоль поверхности твердого диэлектрика

Любая изоляционная конструкция имеет участки, в которых твёрдый диэлектрик граничит с газовым, в частности с атмосферой. На этой границе разряд может происходить в самом твёрдом диэлектрике или в газовом слое, прилегающем к твёрдому диэлектрику. Последний вид разряда в газах выделен не вследствие специфики механизма разряда, а из-за особенностей создания условий его возникновения. Как правило, введение в воздушный промежуток поверхности твёрдого диэлектрика приводит к снижению разрядного напряжения. Важные особенности разряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора можно проследить на примере конструкций, изображённых на рисунке 4.33.

Рисунок 4.33 - Характерные конструкции воздушных промежутков с твёрдым диэлектриком

Конструкция с однородным электрическим полем приведена на рисунке 4.33, а встречается редко в реальных условиях. Конструкции с резконеоднородными полями, показанные на рисунке 4.33, б, в, представляют собой простейшие опорный и проходной изоляторы и встречаются часто в других изоляционных конструкциях.

В опорном изоляторе преобладает тангенциальная составляющая напряжённости, направленная вдоль поверхности, а в проходном изоляторе преобладает нормальная составляющая напряжённости у поверхности твёрдого диэлектрика.

В однородном поле разряд развивается вдоль поверхности диэлектрика при напряжении более низком, чем в чисто воздушном промежутке. Одной из причин этого снижения является гигроскопичность изоляционных материалов, приводящая к образованию на их поверхности микроскопически тонкого слоя влаги. Материалы, обладающие высокой гигроскопичностью (стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопические материалы (винипласт, парафин). Снижение электрической прочности при постоянном и переменном (50 Гц) напряжении больше, чем при импульсах. Это свидетельствует об относительно медленном развитии влияющего процесса. Последний заключается в том, что адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содержит свободные ионы обоих знаков, которые в электрическом поле смещаются, образуя объёмные заряды. При этом поле в середине промежутка ослабляется, а вблизи электродов усиливается, что и приводит к снижению разрядного напряжения. При коротких импульсах и высокой частоте сместиться успевает малое число ионов, электрическое поле искажается слабо и разрядное напряжение снижается незначительно.

Второй причиной снижения разрядного напряжения может явиться ионизация в воздушных прослойках, образующихся при неплотном прилегании электродов к торцам диэлектрика. Исключение воздушных прослоек в изолированных конструкциях достигается тщательным соединением электродов с изолятором с помощью цемента, обладающего высокой механической прочностью, плотностью и достаточной электропроводностью, либо с помощью мягких прокладок или металлизации поверхностей диэлектрика, соприкасающихся с электродами.

В конструкциях опорного и проходного изоляторов электрическое поле резконеоднородное, поэтому у них разрядное напряжение при равных прочих условиях ниже, чем у конструкций изоляторов с однородным полем. Однако в этом случае гигроскопические свойства диэлектрика намного меньше влияют на разрядные напряжения, чем в однородном поле.

Рассмотрим механизм разряда в резконеоднородном поле на примере проходного изолятора. В этой конструкции напряжённость электрического поля у края короткого электрода имеет наибольшее значение. Поэтому в этом месте при относительно небольшом напряжении возникает корона, которая наблюдается в виде полоски неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширяется, и возникают стримеры.

При относительно небольших толщах твёрдого диэлектрика каналы стримеров, развивающиеся вдоль поверхности, имеют достаточно большую ёмкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходит сравнительно большой ток.

При определённом напряжении ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов увеличивается и в них возможна термическая ионизация, и разряд переходит в лидерную форму. В результате этого каналы преобразуются: сопротивление их резко падает, интенсивность свечения возрастает. Эти преобразованные каналы получили название скользящих разрядов.

Падение напряжения на каналах невелико, поэтому длина их резко увеличивается с ростом приложенного напряжения и процесс завершается полным перекрытием промежутка.

Поверхностное разрядное напряжение повышают, сделав поверхность изолятора ребристой (рисунок 4.34, б). Особенно эффективны ребра вблизи электродов, где напряжённость поля максимальная. При наличии рёбер разряд может частично развиваться по поверхности изолятора и частично по воздуху. Поэтому силовая дуга, следующая за импульсным перекрытием, не соприкасается и не обжигает часть поверхности изолятора. Кроме того выравнивают электрическое поле вдоль поверхности изолятора, т.е. снижают продольные градиенты путём применения экранов, полупроводящих покрытий. Выравнивание поля может быть достигнуто также устройством коронирующего электрода, присоединяемого к электроду под напряжением. Коронирование ведёт к образованию вблизи электрода плазмы низкой проводимости, выполняющей роль полупроводящего покрытия вдоль поверхности изолятоpa. Такие устройства, однако, эффективны только при напряжении промышленной частоты и могут оказаться вредными при импульсных воздействиях.

Разряд по увлажнённой поверхности изолятора. Увлажнение поверхности изолятора может происходить в результате выпадения дождя, росы или при возникновении тумана. При возникновении плёнки влаги между электродами через неё протекает ток, обусловленный проводимостью плёнки (рисунок 4.35, а).

Рисунок 4.34 - Развитие разряда вдоль поверхности изолятора: 1,2 - электроды; 3 - стример

Рисунок 4.35 - Образование частичной дужки на увлажненной поверхности изолятора: а) - по увлажнённой поверхности изолятора протекает ток утечки; б) - высушенная зона перекрыта частичной дугой 1,2 - электроды; 3 - водяная плёнка; 4 - частичная дуга

В местах с наибольшей плотностью тока утечки (у электрода с минимальным радиусом кривизны) происходит концентрированное выделение тепловой энергии и происходит подсушивание поверхности изолятора. Это вызывает резкое возрастание падения напряжения на подсушенном участке и его перекрытие (рисунок 4.35, б). При этом опорная точка дуги, имеющая весьма высокую температуру, располагается на краю водяной плёнки и перемещается по мере ее высушивания. Рассматриваемый механизм перекрытия носит тепловой характер и развивается относительно медленно (при длительном постоянном и переменном напряжениях).

Разрядное напряжение по поверхности изолятора при дожде называют мокроразрядным напряжением (U_мр).

Разряд по загрязнённой поверхности изоляторов. Загрязнение поверхности изоляторов полупроводящими осадками является одной из главных причин перекрытия изоляторов при рабочем напряжении. Поэтому проблема выбора изоляции и профилактических мер в районах с загрязнённой атмосферой имеет важнейшее значение в ТВН.

Загрязнение в сухом состоянии изоляторов обычно не снижает разрядное напряжение. Однако под действием влаги слой загрязнения приобретает ионную проводимость, которая гораздо выше проводимости дождевой воды. Механизм разряда по загрязнённой поверхности аналогичен разряду по увлажнённой поверхности. Вследствие высокой проводимости загрязняющего слоя процесс разряда убыстряется тем интенсивнее, чем больше степень загрязнения изолятора.

Увлажнение слоя загрязнения происходит особенно интенсивно во время туманов, росы, моросящего дождя, таяния снега и гололёда. Весьма часты перекрытия изоляции в ранние утренние часы, когда при восходящем солнце на изоляторах выпадает роса. Поскольку перекрытия происходят при загрязнениях и увлажнениях, говорят о грязеразрядном (U_гp) или влагоразрядном (U_вp) напряжениях изоляторов.

Особенно опасными для изоляции являются уносы котельных; химических, металлургических, цементных заводов; брызги морской воды и пыль почвы, содержащей соли. В крупных промышленных центрах и их предместьях атмосфера загрязнена продуктами отработки множества предприятий, тепловых станций и т.п.

В полевых условиях возникают загрязнения изоляции вследствие выветривания почвы, так называемые полевые загрязнения.

Меры, предотвращающие перекрытия по поверхности изоляторов вследствие их загрязнения. К числу таких мер относится, прежде всего, очищение атмосферы вблизи крупных промышленных центров (золоуловители, фильтры газов и т.п.). В местах с интенсивным загрязнением радикальным средством борьбы с перекрытиями является переход на закрытые распределительные устройства и кабельные линии.

На подстанциях, находящихся в зоне интенсивных загрязнений, обычно ведутся систематические очистки изоляции со снятием и без снятия напряжения (струей сжатого воздуха; струей воды высокого давления с устройствами отсекания). Для особо ответственных изоляторов может быть использовано непрерывное дождевание слабыми струями воды.

Весьма эффективно применение на изоляторах гидрофобных покрытий типа кремнийорганических паст. Твердые частицы оседают на такой пасте и не образуют сплошных проводящих мостиков при увлажнении поверхности. Недостатком таких паст является необходимость их смены каждые (3-6) месяцев.

В местах умеренного и интенсивного промышленного загрязнения вполне надежная работа изоляции обычно достигается доведением длин пути утечки тока до нормативов. Наиболее простой мерой является увеличение числа изоляторов; применение конструкций изоляторов с увеличенным числом ребер (так называемые туманостойкие изоляторы); увеличенным вылетом рёбер, располагаемых так, чтобы защитить часть поверхности изолятора от оседания слоя загрязнения.

4.11 Коронный разряд на проводах линий электропередачи

Корона как вид самостоятельного разряда. Для превращения разряда в неоднородном поле в самостоятельный начальная лавина должна обеспечить образование нового электрона на катоде за счёт всех вторичных процессов. Так как число электронов в лавине, развивающейся в неоднородном поле, равно , условие самостоятельности разряда в неоднородном поле имеет вид

,

где интегрирование проводится вдоль силовой линии поля между электродами.

Выполнение условия самостоятельности разряда при неоднородном поле не обязательно должно означать полный пробой промежутка. При высокой степени неоднородности ионизационные процессы концентрируются в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов и может образоваться особый вид самостоятельного разряда - коронный разряд. При нём ток в промежутке хотя и возрастает, но остаётся на много порядков меньше тока короткого замыкания между электродами.

Если коронный разряд является устойчивым, то выполнение условия самостоятельности разряда означает появление коронного разряда и соответствующее напряжение называется начальным. Для полного пробоя промежутка в резконеоднородных полях напряжение должно быть значительно повышено.

Ионизация и сопутствующие ей процессы рекомбинации, связанные с переходом возбуждённых ионов и молекул в нормальное состояние, способствуют выделению большого количества квантов света, благодаря чему чехол короны светится.

Зависимость коронного тока от приложенного напряжения является одной из основных энергетических характеристик коронного разряда.

Измерения тока короны в промежутке игла - плоскость показывают, что при отрицательной полярности ток имеет форму периодических пиков. С увеличением напряжения амплитуда пиков не увеличивается, а период сокращается и средний ток возрастает. При положительной полярности острия, ток также имеет форму пиков, но они возникают хаотично и накладываются один на другой. С возрастанием напряжения средний ток короны увеличивается.

Ионизационные процессы в коронном разряде происходят вблизи электрода с малым радиусом кривизны, в узкой зоне, которая обычно называется чехлом короны. При отрицательной короне ионизация происходит вблизи большего числа точек на поверхности провода и чехол состоит из многочисленных проводящих нитей. При положительной полярности, помимо сплошного чехла, на проводе образуются стримеры, длина которых может быть достаточно большой, но гораздо меньше расстояния между электродами.

За счёт процессов ударной ионизации в чехле короны непрерывно создаются заряженные частицы обоих знаков. Частицы того же знака, что и коронирующий электрод, выходят из чехла короны во внешнюю область и перемещаются к противоположному электроду. Внешняя область короны заполняется объёмным зарядом того же знака, что и коронирующий провод.

При наличии объёмного заряда напряжение между электродами определяется суммой

(4.94)

где q_пp - заряд на проводе; С - ёмкость между проводом и противоположным электродом; U_oб - напряжение, создаваемое объёмным зарядом.

Напряжённость поля на поверхности коронирующего провода приблизительно равна mЕ₀, независимо от значения приложенного напряжения.

4.12 Изоляционные конструкции оборудования высокого напряжения

Изоляция воздушных линий электропередач. Изоляция линий на опорах включает в себя, помимо изоляторов, ряд воздушных промежутков, определяющих возможные пути развития разряда. Так, на металлических и железобетонных опорах может происходить пробой воздушного промежутка между проводом и одним из элементов конструкции опоры или перекрытие гирлянды (рисунок 4.36). На линиях с деревянными опорами, кроме изоляторов, дополнительной изоляцией служат деревянные стойки и траверсы. Разряд может идти по пути "а - а" при наличии грозозащитных тросов, либо на пути "а - б" между проводом и спуском, соединяющим трос с заземлителем (рисунок 4.36, б).

В последние годы большое внимание уделяется разработке траверс ВЛ из изоляционных материалов (эпоксидные смолы, электроизоляционный бетон, стеклопластиковая арматура). Это позволяет уменьшить габариты и стоимость опор ВЛ.

Как отмечалось ранее, на линиях 35 кВ и выше подвесные изоляторы соединяют в гирлянды. Гирлянды выполняются поддерживающими на промежуточных опорах и натяжными на анкерных, угловых и концевых опорах.



Рисунок 4.36 - Возможные пути перекрытия изоляции на промежуточных опорах воздушных линий: а) металлическая опора портального типа с с оттяжками линии 500 кВ; б) деревянная опора линии 110 кВ с тросами; в) деревянная опора линии 110 кВ без тросов

При подвеске очень тяжёлых проводов применяются сдвоенные или даже строенные гирлянды (в натяжных гирляндах - до (4 - 6) параллельных цепей).

Электрическую прочность гирлянды изоляторов нельзя оценить по прочности одного изолятора, так как для разряда по гирлянде могут быть намечены три возможных пути (рисунок 4.37):

- путь вдоль всех изгибов фарфорового тела изоляторов -1;

- кратчайший путь между шапками изоляторов - 2;

- кратчайший для всей гирлянды путь - 3.

Рисунок 4.37 - Пути развития разряда по гирлянде изоляторов

При сухой поверхности гирлянды разряд развивается только по путям 2 и 3 в зависимости от отношения длины пути утечки _ут к высоте изолятора h. Если - разряд развивается по пути 3, т.е. целиком по воздуху. - по пути 2.

При заданной длине гирлянды путь 3 соответствует максимально возможному сухоразрядному напряжению.

При дожде разряд развивается по пути 1. Мокроразрядное напряжение гирлянды пропорционально числу изоляторов

, (4.95)

где Е_пр - мокроразрядный градиент (из таблиц); n - число изоляторов. Выбор числа изоляторов таков, чтобы

, (4.96)

где К - учитывает повышение фазового напряжения, неблагоприятное изменение атмосферных условий, силу дождя, - воды, t - воздействия и т.д.: К 1,1.

Воздушные промежутки должны иметь прочность не ниже чем гирлянда [на (10 - 15) % больше мокроразрядного напряжения гирлянды].

Число изоляторов в гирляндах воздушных линий и РУ разных классов напряжения с изоляцией нормального исполнения приведено в таблице 4.5.

Изоляция силовых кабелей высокого напряжения. Для кабельных линий главное значение имеет изоляционная проблема. Электрическая прочность кабельной изоляции резко возрастает при переходе от переменного к постоянному напряжению. Поэтому при прокладке длинных кабельных линий, например, при пересечении больших водных преград или гор, экономически выгодно выполнять электропередачу на постоянном токе высокого напряжения. Кабели (110 - 500) кВ широко используются как для электроснабжения крупных городов, так и для подземных выводов от ГЭС, АЭС и ТЭС (обычно от трансформаторных блоков к открытым РУ).

В настоящее время в силовых кабелях широко используется бумажнопропитанная изоляция. Разрабатываются и находят большое применение кабели (110 - 220) кВ с полиэтиленовой и газовой изоляцией. Ведутся работы по созданию криогенных линий электропередач, то есть кабелей с охлаждением жидким азотом или гелием ниже 80 К. В этом случае возникает эффект радикального повышения электропроводности (гиперпроводности) сверхчистых металлов (алюминия и меди) и, во-вторых, эффект сверхпроводимости, который достигается у сверхпроводников I и II рода при температурах ниже критических.

Таблица 4.5 Число изоляторов в гирляндах воздушных линий

Изолятор	Число изоляторов при номинальном напряжении, кВ
	10	20	35	110	150	220	330	500	750
Для воздушных линий
ПФ6 - А ПФ6 - Б ПФ6 - В ПФ16 - А ПФ20 - А ПС6 - А ПС12 - А ПС16 - А ПС16 - Б ПС22 - А ПС30 - А	1 1 1 - - 1 - - - - -	3 3 3 - - 3 - - - - -	3 3 3 - - 3 3 - - - -	7 7 7 6 - 8 7 6 6 - -	9 10 9 8 - 10 9 8 8 - -	13 14 13 11 10 14 13 11 12 10 11	19 20 19 17 14 21 19 16 17 15 16	- 27 26 23 20 29 26 22 24 21 22	- - - - - - - - - 30 32
Для распределительных устройств
ПФ6 - А ПФ6 - Б ПФ6 - В ПС6 - А ПС12 - А	- - - - -	4 4 4 4 -	4 5 4 4 -	8 8 8 9 -	10 10 10 11 10	14 15 14 16 14	20 21 20 22 20	29 30 29 33 29	- - - - 38

У гиперпроводящих и сверхпроводящих линий электропередачи переменного тока небольшой длины, которые при решении сложных технических задач смогут конкурировать с кабельными линиями обычного типа, по проведенным расчётам достижима пропускная способность (5-10) ГВт. Этого будет достаточно приблизительно до 2005 года, если речь идёт о «глубоких вводах» в крупные города и выводах от самых крупных электроподстанций. Сверхпроводящие линии электропередачи постоянного тока с пропускной способностью порядка 100 ГВт также могли бы стать конкурентами воздушным линиям постоянного тока, если возникнут экономические предпосылки для сверхдальнего транспорта электроэнергии в больших количествах (например, от группы ГЭС).

В кабелях с вязкой пропиткой изоляция выполняется из кабельной бумаги, пропитанной маслоканифольной мастикой (рисунок 4.38).

Рисунок 4.38 - Трёхжильный кабель с поясной изоляцией и секторными жилами: 1 - жила; 2 - фазная изоляция; 3 - поясная изоляция; 4 - наполнитель; 5 - оболочка; 6 - подушка под броней из пряжи, пропитанной битумом; 7 - броня из стальных лент; 8 - наружный защитный покров

В процессе эксплуатации в кабельной изоляции под воздействием высоких температур могут выделяться газовые пузырьки, которые, диффундируя к поверхности токопроводящей жилы (максимальная напряжённость поля), ведут к снижению длительной электрической прочности изолятора. Это объясняется процессами ионизационного пробоя, когда в бумажной ленте образуется характерная картина ветвисто расположенных обуглероженных каналов. При постоянном напряжении интенсивность ионизационных процессов уменьшается, и такие кабели могут быть использованы до напряжения 110 кВ (на переменном напряжении 50 Гц - до 35 кВ). В настоящее время начато производство кабелей для вертикальных прокладок с пропиточной массой, не стекающей даже при высоких температурах нагрева. Такая пропиточная масса производится на основе синтетических смол.

Для кабелей напряжением выше 35 кВ (при 50 Гц) пропитка бумажной изоляции осуществляется жидким кабельным маслом, которое может перемещаться внутри жилы вдоль кабеля и находится под избыточным давлением. Для поддержания неизменного давления в маслонаполненном кабеле в условиях эксплуатации через (1 - 2,5) км устанавливают баки давления. Маслонаполненные кабели на сверхвысокие напряжения и большие токи выполняются обычно однофазными (рисунок 4.39).

Рисунок 4.39 - Маслонаполненный кабель на давление 0,5 МПа 220 кВ: 1 - маслопроводящий канал; 2 - жила из фасонных лужённых проволок; 3 - экран по жиле и по изоляции из полупроводящей металлизированной бумаги; 4 - изоляция из бумаг разной толщины и плотности; 5 - свинцовая оболочка; 6 - ленты из пластиката; 7 - медные усиливающие ленты; 8 - защитные покровы; 9 - стальные проволоки

Газонаполненные кабели по конструкции аналогичны маслонаполненным, но с тем существенным отличием, что высокая электрическая прочность поддерживается не маслом, а газом под давлением. Газ, поступающий через каналы в жилы, создаёт в бумажной изоляции с обедненной масляной пропиткой давление, которое повышает напряжение ионизации. В России газонаполненные кабели [давление газа (0,15 - 0,6) МПа] изготавливаются на напряжение до 35 кВ. В качестве газа обычно применяется азот. Добавка к азоту элегаза (до 20 %) повышает электрическую прочность кабеля до прочности маслонаполненного кабеля.

В настоящее время начали применять кабели в стальных трубах с маслом или газом под давлением. В стальной трубе на изоляционных распорках закреплена токоведушая жила (или три жилы). Линия собирается из отрезков таких труб и заполняется маслом или элегазом при давлении до 1,5 Мпа. Такие линии выполняются на напряжения 110 кВ и выше. Для ввода больших мощностей в крупных городах проходят испытания кабели с охлаждением жидким азотом (криорезистивные кабели) или жидким гелием (сверхпроводящие кабели).

4.13 Неорганические и органические диэлектрики

Большое практическое значение имеет разделение диэлектриков на органические и неорганические. Под органическими материалами подразумевают соединения углерода, содержащие обычно водород, кислород, азот и другие элементы. Прочие вещества относят к неорганическим, содержащим также кремний, алюминий и другие металлы.

Существуют также материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических диэлектриков. К ним относят элементоорганические материалы, в молекулы которых с атомами углерода входят атомы элементов, более характерных для неорганических материалов (кремний, алюминий, фосфор и др.).

Более подробно рассмотрим жидкие и твёрдые диэлектрики.

Жидкие диэлектрики предназначаются для пропитки электрической изоляции с целью повышения её электрической прочности и отвода тепла в процессе конвекции, для дугогашения в масляных выключателях, заливки маслонаполненных вводов, реакторов, реостатов и других электроаппаратов.

По химической природе жидкие диэлектрики принято разделять на нефтяные масла (трансформаторное конденсаторное, кабельное) и диэлектрические жидкости (хлорированные и фторированные углеводороды, кремний - или фторорганические жидкости и некоторые другие).

Нефтяные масла. Они получаются фракционной перегонкой нефти. Выделенные фракции представляют собой сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического рядов с небольшой примесью других компонентов, содержащих атомы серы, кислорода и азота. Нефтяные масла, в которых преобладают нафтеновые углеводороды, называют нафтеновыми. Среди трансформаторных масел на их долю приходится (75 - 80) %. Необходимой составной частью электроизоляционных нефтяных масел являются также ароматические углеводороды, содержание которых ограничивается определенным оптимальным значением [обычно (10 - 12) %], обеспечивающим наибольшее увеличение срока службы. Излишнее количество ароматических углеводородов увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь tg.

Чтобы получить трансформаторное масло, пригодное для применения, необходимо очистить масляный дистиллят, который остается после отгонки от нефти легких нефтепродуктов: бензина, керосина, лигроина.

Дистиллят очищают серной кислотой, затем нейтрализуют щёлочью, промывают водой и сушат при температуре (75 - 85) °С, продувая через него воздух. Для очистки от примесей и механических загрязнений масла фильтруют через адсорбенты - вещества, имеющие сильно развитую поверхность.

Свежее трансформаторное (конденсаторное) масло имеет обычно соломенно-желтый цвет, причём, чем глубже очистка, тем светлее масло. Масла, бывшие в эксплуатации, из-за накопления продуктов окисления имеют тёмный цвет.

Конденсаторное масло получают из высококачественной нефти или в результате дополнительной очистки адсорбентами трансформаторного масла. Операцию очистки конденсаторного масла кислотой и щёлочью проводят так же, как и трансформаторного, но более длительно и тщательно.

Так как нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями, то они представляют собой большую пожарную опасность в масляных хозяйствах энергосистем, где часто используются тысячи тонн масла. Поэтому правила пожарной безопасности при работе с маслонаполненным оборудованием должны тщательно соблюдаться. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров трансформаторного масла в смеси с воздухом, которая не должна быть ниже (135 - 140) °С. В тех случаях, когда трансформаторное масло применяется в масляных выключателях высокого напряжения, важным параметром масла является температура застывания. Масло в этих электрических аппаратах служит для охлаждения канала дуги и быстрого её гашения при размыкании контактов.

Обычное трансформаторное масло имеет температуру застывания примерно (- 45) °С, а специальное «арктическое» масло, предназначенное для работы на открытых подстанциях в районах Крайнего Севера, - (- 70) °С.

Важной характеристикой масла является кинематическая вязкость при температуре 20 и 50 °С, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов хуже отводится теплота от обмоток и магнитопровода трансформатора, что может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Стандартом нормировано также кислотное число.

Способность масла отводить теплоту от магнитопровода и обмоток погруженного в него трансформатора зависит от удельной теплоёмкости, равной при нормальной температуре примерно 1,5 Дж/(кг?К), коэффициента теплопроводности - примерно 1 Вт/(м?К). Обе эти характеристики при росте температуры увеличиваются.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Значение диэлектрической проницаемости при температуре окружающей среды 20 °С равно (1,2 - 2,3), tgд при частоте 50 Гц для трансформаторного масла не должен превышать 0,003. Значение tg определяется проводимостью и зависит от степени очистки трансформаторного масла. Получение масел с пониженными диэлектрическими потерями [значение tgд примерно (0,002 - 0,0005)] для кабелей и конденсаторов требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов.

Важной характеристикой масла является его электрическая прочность, которая чрезвычайно чувствительна к увлажнению. Правила технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) предусматривают определённые нормы электрической прочности для чистого и сухого трансформаторного масла, приготовленного для заливки в аппарат, и для масла, находившегося в эксплуатации.

Для повышения устойчивости масел к процессам старения их состав подбирают таким образом, чтобы в нём не содержалось естественных катализаторов окисления и сохранялись соединения, замедляющие окисление. Такие вещества называются ингибиторами. В масла вводят синтетические ингибиторы - ионол, ДВРС в концентрации от 0,1 до 0,5%. Введение ионола замедляет процесс старения масла в (2 - 3) раза.

Синтетические жидкие диэлектрики. Эти диэлектрики применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить длительную и надёжную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряжённости электрического поля, в пожароопасной или взрывоопасной среде. Жидкие диэлектрики находят применение для заливки герметичных кожухов, в которых располагаются блоки электронной аппаратуры.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью, повышенным значением диэлектрической проницаемости и относительно невысокой стоимостью. Если цену нефтяного масла принять равной единице (по зарубежным данным), то стоимость хлорированных углеводородов по отношению к маслу равна (4 - 10), кремнийорганических жидкостей - от 80 до 370, фторорганических жидкостей - до 1150. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничили, а затем запретили, хотя в эксплуатации они ещё имеются.

Хлорированные углеводороды можно получить хлорированием дифенила. При этом можно получать продукты с различной степенью хлорирования: три-, тетра-, пента- и гексахлордифенилы. По мере увеличения степени хлорирования растут молекулярная масса, плотность, вязкость, температура застывания и кипения. Возрастает и экологическая опасность, поэтому в конденсаторах пентахлордифенил (совол) был заменен трихлордифенилом, хотя он имеет повышенную вязкость при низких температурах.

Электрическая прочность большинства жидкостей на основе хлорированных углеводородов при температуре среды 20 °С не превышает (18 - 22) МВ/м.

Все жидкости на основе хлорированных дифенилов являются токсичными и биологически вредными соединениями. При их использовании необходимо соблюдать правила техники безопасности и промышленной санитарии.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов). Они не токсичны и экологически безопасны. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка, атомы кремния которой связаны с органическими радикалами.

Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.

Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений. Эти диэлектрики отличаются негорючестью, высокой химической и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. По химическому составу они представляют собой углеводороды, амины, эфиры и другие соединения, в которых атомы водорода частично или полностью замещены атомами фтора или хлора (в хлорфторорганических соединениях). Если атомы водорода полностью замещены атомами фтора, то такие соединения называются перфторированными. Некоторые фторуглеводороды и фторхлоруглеводороды нашли применение в качестве хладагентов и получили название хладонов (раньше их называли фреонами). Некоторые сорта хладонов получили применение в качестве жидких диэлектриков.

Фторуглеводородные жидкости получили применение для заполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфорированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах.

По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям. Так, для хладона-112, хладона-113, хладона-114 [значение tgд=(0,0001 - 0,0002), U_np= (28 - 49) Кв].

Смесь хладонов с воздухом взрывобезопасна. Хладоны признаны нетоксичными соединениями, однако в помещении, заполненном их парами, возможна смерть от удушья, вызванного недостатком кислорода. При высоких температурах хладоны разлагаются с выделением токсичных продуктов.

Полимеры, получаемые полимеризацией. Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этой реакции в мономере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав.

Наиболее распространённой разновидностью реакции полимеризации является цепная полимеризация, при которой макромолекула образуется по цепному механизму путём последовательного присоединения молекул мономеров к растущей цепи. Соединения двойными связями, как правило, полимеризуются по цепному механизму.

Линейные неполярные полимеры. К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, полиизобутилен, полипропилен, политетрафторэтилен. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.

Полиэтилен получают при высоком, среднем и низком давлении полимеризацией этилена в присутствии катализаторов. Полиэтилен - кристаллизующийся полимер, степень кристалличности которого при комнатной температуре достигает (50 - 90)% в зависимости от способа получения. От других термопластов отличается весьма ценным комплексом свойств. Для полиэтилена характерны высокая прочность, стойкость к действию агрессивных сред и радиации, хорошие диэлектрические свойства, нетоксичность.

Выпускаемый в промышленности полиэтилен в зависимости от способа получения различается по плотности, молекулярной массе и степени кристалличности. Плотность полиэтилена (910 - 970) кг/м³, температура размягчения (110 - 130) °С.

Наибольшей степенью кристалличности, плотности и температурой размягчения обладает полиэтилен низкого и среднего давления (полиэтилен высокой плотности). Полиэтилен, получаемый при высоком давлении, имеет меньшую плотность. Изделия из полиэтилена могут эксплуатироваться в суровых климатических условиях.

Полиэтилен применяется как электроизоляционный материал в электротехнике и радиоэлектронике, кабельной промышленности, строительстве, в качестве антикоррозионных покрытий и т. д. Полиэтилен всех марок является физиологически безвредным, поэтому получил широкое применение в производстве бытовых товаров.

Полистирол получают полимеризацией мономерного стирола. Аморфный полистирол получают в виде эмульсий, суспензий или растворов, а изотактический - при использовании специальных катализаторов. Полистирол - термопластичный материал с высокими диэлектрическими свойствами. Для электротехнических целей в основном применяется блочный полистирол; эмульсионный - имеет худшие диэлектрические показатели и используется для изготовления плиточных пенопластов конструкционного назначения; изотактический - из-за трудностей переработки в изделия промышленностью не выпускается.

Полистирол химически стоек, устойчив к воздействию влаги, растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, простых и сложных эфирах. К недостаткам полистирола относятся низкая механическая прочность и невысокая теплостойкость.

Блочный полистирол прозрачен, бесцветен, пропускает 90% видимой части света и называется органическим стеклом.

Из полистирола получают полистирольную пленку толщиной 10... 100 мкм, называемую стирофлексом. Пленка отличается большой прочностью, высокими диэлектрическими показателями и применяется в конденсаторной технике.

Полистирол широко применяется для изготовления деталей электро- и радиоэлектронных, приборов, в кабельной промышленности как высокочастотный электроизоляционный материал, а также для изготовления полистирольных лаков.

Полиизобутилен - высокомолекулярный продукт с линейным строением молекул, получаемый полимеризацией изобутилена. При изменении молекулярной массы от 1000 до 400 000 можно получать различные виды полиизобутилена - от жидких низкомолекулярных до твёрдых и эластичных подобных каучуку, высокомолекулярных веществ. Полиизобутилен типичный неполярный диэлектрик с высокими диэлектрическими свойствами. Эластичность этого полимера сохраняется до температуры (-78) °С и не зависит от его молекулярной массы. Температура плавления полиизобутилена 80 °С.

В чистом виде или чаще в композиции с другими полимерами полиизобутилен применяется для изготовления электрической изоляции высокочастотных кабелей (в композиции с полиэтиленом), уплотнителей, изоляционных заливочных компаундов, клеящих материалов, изоляционных лент. Высокие электрические свойства полиизобутилена и его смесь с полистиролом сохраняются при повышенной влажности. Жидкие полиизобутилены с молекулярной массой от 1500 до 10 000 применяются в качестве пропиточных масс в кабельной технике.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) В России выпускается под названием фторопласт-4 и получается полимеризацией тетрафторэтилена. Степень кристалличности ПТЭФ примерно 90% [при температуре эксплуатации (50 - 70) °С]. Кристаллическая структура нарушается при температуре примерно 327 °С, после чего полимер переходит в высокоэластическое состояние, сохраняющееся до температуры разложения (примерно 415 °С). Рабочая температура от (-40) до (-200) °С.

Высокая рабочая температура и химическая стойкость выделяют ПТФЭ из других органических полимеров. ПТФЭ не горит и не растворяется в диапазоне рабочих температур ни в одном растворителе, на него не действуют кислоты, щёлочи и другие агрессивные вещества. Превосходя золото и платину по химической стойкости, ПТФЭ не смачивается водой, стоек к воздействию тропического климата и грибковой плесени. Некоторое воздействие на ПТФЭ оказывают лишь расплавленные щелочные металлы и атомарный фтор при повышенных температурах. ПТФЭ имеет исключительно высокие электроизоляционные свойства по сравнению с другими полимерами.

К недостаткам ПТФЭ относятся ползучесть, возникающая под действием небольших механических нагрузок, низкая устойчивость воздействию электрической короны и радиации.

Обычные для термопластов методы переработки для ПТФЭ непригодны. Изделия из ПТФЭ изготовляются методом спекания. ПТФЭ не склеивается с другими материалами обычными методами, так как имеет плохую адгезию к другим материалам, поэтому для склеивания его поверхность подвергают специальной обработке. ПТФЭ применяют в радиоэлектронике, электротехнике для изготовления электрической изоляции проводов, кабелей, конденсаторов, трансформаторов, работающих при высоких и низких температурах или в агрессивных средах. ПТФЭ физиологически безвреден, но при температуре выше 250°С из него начинается выделение высокотоксичных газообразных продуктов, количество которых резко возрастает при нагревании до температуры близкой к температуре разложения.

...