Классификация конфигурации электрических полей. Пробой твердой изоляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по дисциплине

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

1. Дайте классификацию конфигурации электрических полей

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

От формы электрического поля зависит электрическая прочность и пробивное напряжение. Формы электрических полей подразделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Типичным примером однородного поля является поле между двумя плоскопараллельными электродами или электродами Роговского. Слабонеоднородное поле реализуется в системе электродов шар-шар (см. рис. 1) при расстоянии S между электродами меньше диаметра D шара (S<D), резконеоднородное поле - при электродах стержень-плоскость или стержень-стержень. Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом неоднородности , который равен отношению максимальной напряженности электрического поля к средней напряженности между электродами, т. е.

Средняя напряженность есть отношение напряжения U, приложенного к электродам, к расстоянию S между электродами:

Максимальная напряженность зависит от приложенного к электродам напряжения, конфигурации, размеров электродов и расстояния между ними. Например, для коаксиальных цилиндров (кабель) (см. рис. 2) максимальная напряженность определяется как:

а средняя напряженность:

где U - приложенное напряжение, кВ;

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

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

Рисунок 1 - Формы электрических полей:

а - симметричная система электродов;

б - несимметричная система электродов



Рисунок 2 - Схема коаксиальных электродов

В итоге получим:

т. е. зависит от геометрических размеров электродов.

Для однородного поля коэффициент неоднородности , для слабонеоднородного - ? 3, для резконеоднородного - > 3.

Кроме этого, различают симметричную и несимметричную систему электродов. Симметричная форма - электроды имеют одинаковую форму и размеры и отсутствует заземление какого-либо из них (см. рис. 1, а). Несимметричная форма - электроды имеют отличающуюся конфигурацию, размеры или один из них заземлен (см. рис. 1, б). Пробивные напряжения в несимметричной системе электродов ниже, чем в симметричной.

2. Как происходит пробой твердой изоляции?

Электрическая прочность твердой изоляции выше, чем газообразной и жидкой: с пределами

Электрическая прочность твердой изоляции зависит:

1) от формы электрического поля;

2) вида напряжения и полярности;

3) времени воздействия напряжения;

4) однородности диэлектрика;

5) электрофизических характеристик (полярный-неполярный, , , и др.);

6) температуры.

Различают три вида пробоя твердого диэлектрика:

1) электрический - Е ~ 102-103 кВ/мм;

2) тепловой - Е ~ 10-102 кВ/мм;

3) старение - Е ~ 10 кВ/мм и менее.

Твердая изоляция включает в себя все виды твердых диэлектриков - от пленок до толстой монолитной.

В табл. 1 приведены некоторые электрические характеристики твердой изоляции, которые могут быть востребованы в процессе ее эксплуатации.

Таблица 1

Характеристики изоляции
Электрические	Механические	Тепловые	Химические	Прочие
Uпр; Uпер;Uраб; Ucухо разр; сV, сS; tg д; t = f(E, f)	ураст;усж;уизг; твердость; гибкость; эластичность	Ткип;Тплавл;Тзаст; теплопроодность; теплоемкость; тепловое расширение	стабильность; раствориость; действие на другие диэлектрики	удельный вес; абсорбция влаги; действие облучения; микроорганизм и др.

Наиболее сильное влияние на электрическую прочность твердой изоляции оказывают время приложения напряжения, температура, толщина. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называется вольт-временной характеристикой. Она приведена на рис. 3.

На кривой выделяют четыре области. Области I и II соответствуют электрическому пробою. Время приложения напряжения t<0,1 с. Резкое возрастание пробивного напряжения в области I обусловлено запаздыванием развития разряда относительно времени приложения напряжения. Область III характеризуется резким спадом пробивного напряжения, что говорит о преобладающей роли тепловых процессов. Область IV - медленное снижение пробивного напряжения с увеличением времени воздействия; связано с медленными процессами старения, деградации твердой изоляции.

Рисунок 3 - Вольт-временная характеристика твердой изоляции:

I - электрический пробой, запаздывание развития канала разряда;

II - электрический пробой, t < 0,1 c, не зависит от температуры;

III - тепловой пробой, t > 0,1 с, резкое снижение Uпр во времени;

IV - старение, Uпр мало изменяется, а время до пробоя возрастает значительно

Электрическая прочность твердой изоляции возрастает с уменьшением ее толщины и особенно быстро -- в области микронных толщин. Этот эффект используют в изоляции конденсаторов, кабелей, вводов и др. Влияние температуры наглядно иллюстрируется рис. 4, где приведена зависимость электрической прочности фарфора от температуры. Видно, что до температуры ~ +75 °C пробивная напряженность фарфора практически не изменяется (область А). Дальнейшее увеличение температуры приводит к резкому уменьшению (область Б).

Рисунок 4 - Зависимость пробивного напряжения от температуры для фарфора (напряжение 50 Гц)

Развитие теплового пробоя в твердом диэлектрике в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности:

где - напряжение, приложенное к изоляции;

- ток, текущий через изоляцию;

- температура изоляции;

г - проводимость изоляции;

tg д - диэлектрические потери в изоляции.

Суть теплового пробоя изоляции можно представить в виде рис. 5, где - тепло, выделенное в изоляции за счет джоулевых и диэлектрических потерь, - тепло, отводимое от изоляции в окружающую среду.

Выделенное тепло определяется как:

а отводимое тепло -- как:

где - угловая частота;

- емкость изделии;

- диэлектрические потери в изоляции;

- коэффициент теплопередачи;

- площадь поверхности изоляции;

- температура окружающей среды;

- температура внутри диэлектрика.

Изменение приложенного напряжения к изоляции приводит к изменению потерь в ней. На рис. 5 - тепло, выделенное при , а - тепло, отведенное от изоляции.



Рисунок 5 - Изменение выделенного и отводимого тепла в изоляции при разных

Для при - нет нагрева.

Для при - тепловой пробой.

Для - всегда тепловой пробой.

- точка теплового равновесия.

Рабочая температура .

электрод напряженность диэлектрик изоляция

Литература

1. Лыкин А.В. Электрические системы и сети: [учебное пособие по направлению "Электроэнергетика"]/А.В. Лыкин - Москва: Логос, 2008 - 254 с.

2. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: [учебник для студентов электроэнергетических специальностей] / В.И. Идельчик - Москва: Издательский дом Альянс, 2009 - 592 с.

3. Электротехнический справочник; в 4-х т. / под общ.ред. В.Г. Герасимова [и др.] - М.: Изд-воМЭИ,2004- Т. 3: Производство, передача и распределение электрической энергии - 964 с.

4. Техника высоких напряжений (изоляция и перенапряжения): курс лекций: в 2 ч. / А.С. Красько, Е.Г. Пономаренко. - Минск: БНТУ, 2011. - Ч. 1: Электрические разряды в газах. Внешняя изоляция воздушных линий и распределительных устройств. Внутренняя изоляция. - 119 с.

5. Техника высоких напряжений: курс лекций / В.Ф. Важов, В.А. Лавринович. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 150 с.

Размещено на Allbest.ru