НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ БЕЗЭЛЕКТРОДНОГО РАЗРЯДА ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ВОЗДУХЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
Е. С. КОЛЕЧИЦКИЙ, доктор техн. наук, А. А. ПАНОВ,
канд. техн. наук, В. В. АКИМОВ, инж.
Уменьшение радиальных размеров изоляционных покрышек газонаполненных высоковольтных вводов приводит к увеличению напряженности электрического поля во внешней изоляции. При определенной напряженности поля на диэлектрической покрышке в воздухе может возникать безэлектродный поверхностный разряд (БПР), который, развиваясь, приводит к перекрытию изоляционного промежутка между высоковольтным экраном и заземленным фланцем ввода.
Известно [1], что на гладкой лакированной поверхности стеклоэпоксидной покрышки высоковольтного ввода при относительной влажности окружающего воздуха у меньше 50 % БПР возникает при напряженностях примерно 30 кВ/см при грозовом и коммутационном импульсах и 15—23 кВ/см при переменном напряжении промышленной частоты.
Поскольку развитие БПР происходит в воздухе, то при атмосферном давлении указанные в [1J напряженности не могут обеспечить возникновение самостоятельного разряда при воздействии переменного напряжения промышленной частоты — они меньше критической напряженности для воздуха, т. е. такой, при которой эффективный коэффициент ионизации положителен. Следовательно, существуют факторы, воздействие которых увеличивает имеющуюся на поверхности диэлектрика напряженность электрического поля до критической.
Рис. 1. Эскиз модели и схема экспериментальной установки: С — эталонный газонаполненный конденсатор, 103 пФ; Фи Фг — низкочастотные фильтры; Тр — высоковольтный испытательный трансформатор РЕО 8/100 фирмы TUP; Р — защитные разрядники; ДЦ — диэлектрический цилиндр; К — крышки модели (плексиглас)
В [1] высказано предположение о влиянии на начальное напряжение БПР свободных зарядов [2] на поверхности диэлектрика, не связанных с поляризацией диэлектрика и не исчезающих после снятия напряжения между электродами.
Целью статьи является исследование характеристик зажигания БПР при воздействии переменного напряжения промышленной частоты и выявление причин возникновения БПР при напряженностях, меньших критической.
Исследования проводились на модели (рис. 1), изоляция которой выполнена так, что внутренний промежуток, заполненный трансформаторным маслом, выдерживал приложенное напряжение, а разряд возникал на внешней поверхности диэлектрического цилиндра. Эксперименты проводились на стеклоэпоксидных и стеклянных цилиндрах.
Распределение электрического поля по внешней поверхности цилиндров (рис. 2) рассчитывалось методом интегральных уравнений [3] при условии отсутствия свободных зарядов на поверхности диэлектрика и в объеме воздуха.
Схема экспериментальной установки для исследования зависимости начального напряжения БПР от внешних условий (давления Р и влажности воздуха γ) приведена на рис. 1. В качестве начального (U) принималось напряжение, при котором поступали первые сигналы от дифференциальной регистрирующей схемы, вдвое превышающие уровень шума [4]. Чувствительность схемы составляла примерно 3 пКл. Погрешность при измерении Uн не превышала 3 %.
Для исследования зависимости начального напряжения БПР от давления воздуха модель помещалась в стеклянную камеру. Камера вакуумировалась до остаточного давления 130 Па, затем, медленно, во избежание конденсации влаги на поверхности цилиндра, заполнялась атмосферным воздухом до необходимого давления. Измерения U БПР проводились в диапазоне давлений от 10 до 100 кПа, влажности — от 25 до 80 % и температуры — от 15 до 22 °С при плавном подъеме напряжения. Температура и влажность воздуха соответствуют условиям, в которых чаще всего работают газонаполненные вводы внутренней установки.
Результаты экспериментов представлены на рис. 3. Отмечено, что при первом подъеме напряжения Uн БПР примерно на 5—10 % выше, чем при последующих, хотя условия в камере не менялись.
При атмосферном давлении и γ<30 % начальное напряжение БПР превышает 150 кВ. С увеличением у до 45—50 % БПР начинался при напряжениях 70—80 кВ. Максимальные напряженности на поверхности диэлектриков при этих напряжениях не превышали 15—17 кВ/см, что примерно вдвое меньше начальной напряженности при влажности воздуха γ<30 %.
Наличие свободных поверхностных зарядов [ 1 ] проверялось методом электрографии [5], позволяющим зафиксировать на поверхности диэлектрика заряды обоих знаков после снятия напряжения. При U=0,9U заряды образовывали пятна в приэлектродных зонах поверхности диэлектрика. На рис. 2 схематично показано распределение зарядов по поверхности стеклянного цилиндра после воздействия U (при появлении первого импульса напряжение было плавно снижено до нуля).
Измерения роторным вольтметром [6] показали, что при γ=65 % после воздействия напряжения, равного начальному, максимальная плотность заряда на поверхности стеклоэпоксидного цилиндра составляла примерно 3-10 9 Кл/см2. При γ<30 % появления свободных поверхностных зарядов не наблюдалось. Области распределения поверхностных зарядов в разных опытах значительно отличались друг от друга по конфигурации.
Рис. 2. Распределение электрического поля по внешней поверхности диэлектрического цилиндра модели при U=100 кВ
Рис. 3. Зависимость начальных напряжений БПР от давления и влажности воздуха:
I — эксперимент, стеклянный цилиндр, γ=25 %; 2 — расчет по условию самостоятельности разряда в воздухе; 3 — эксперимент, стеклянный цилиндр, γ=65%; 4 — эксперимент, стеклоэпоксидный цилиндр, γ=80 %
Следует отметить, что стенание свободного заряда с поверхности цилиндра модели происходит медленно — на стеклоэпоксидном цилиндре за 40 ч плотность заряда уменьшилась примерно в 2,5 раза.
Для сопоставления с экспериментальными данными была рассчитана зависимость начального напряжения разряда с поверхности диэлектрического цилиндра модели (рис. 3). За начальное принималось напряжение между электродами модели, при котором выполнялось условие самостоятельности разряда в воздухе для силовой линии, выходящей точки поверхности диэлектрика, где напряженность электростатического поля максимальна.
Снижение начального напряжения БПР относительно напряжения, рассчитанного по условию самостоятельности разряда в воздухе, объясняется тем, что постоянное поле свободных поверхностных зарядов накладывается на синусоидально изменяющееся во времени поле электродов и искажает его, в результате чего в воздухе может возникать напряженность выше критической, достаточная для зажигания БПР.
Данные экспериментов показывают, что на возникновение зарядов оказывает влияние влажность воздуха.
ВЫВОДЫ
- При воздействии переменного напряжения промышленной частоты начальное напряжение БПР может быть примерно вдвое меньше напряжения зажигания разряда с поверхности диэлектрика, рассчитанного по условию самостоятельности разряда в воздухе.
- Свободные поверхностные заряды образуются на поверхности диэлектрика при влажности воздуха свыше 30 %.
Список литературы
- Линейные и трансформаторные элегазовые вводы / М. И. Сысоев, В. В. Акимов, Л. В. Игнатьева и др.// Тр. ВЭИ. Вып. 91. 1982. С. 116—128.
- Поливанов К. М. Теоретические основы электротехники. Ч. 3. М.: Энергия, 1969. С. 90—91.
- Колечицкий Е. С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 122— 145.
- Петерсон А. Л., Филиппов А. А. Дифференциальный метод измерения частичных разрядов в твердой изоляции газоизолированных изделий // Тр. НИИПТ. 1980. № 29. С. 55—66.
- Викег К. Ober ein Dreipulvergemisch zur Darstellung elektrischer Staubfiguren // Poggendorf’s Annalen. Bd. 4. 1900. S. 474—482.
- А. Шваб. Измерения на высоком напряжении. М.: Энергия. 1973. С. 121 — 125.
