Исследование распределения напряжения по гирлянде изоляторов (стр. 2 из 3)
Если огибающие вольт-секундной характеристики проводить на расстоянии ±2σU, то при каждом tpвероятность попадания Upв зону между огибающими составляет 97,7%. Проведение огибающих на расстояние ±3σUот средней линии повышает вероятность попадания до 99,9%. Для длинных воздушных промежутков с резко неоднородным полем значение σUоценивается в 2,5…3% от среднего значения напряжения. В коротких промежутках с однородным полем значение σUрезко 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 tф 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. tр ≈ (tх + tс). При этом минимальное разрядное напряжение, соответствующее горизонтальному участку ВАХ и амплитуде импульса перенапряжения, ещё вызывающего разряд в промежутке, практически равняется начальному напряжению (Upmin≈ 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 tх и tс. 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 (Um= Upmin≈ 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 tх и tс в условиях неоднородного поля являются минимальными, существенно не влияющими на величину полного времени разряда. Напротив, время формирования разряда tф является существенной величиной, так как в резконеоднородном поле канал разряда формируется при относительно небольшой средней напряжённости в межэлектродном промежутке (Eср = 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 tф, а значит и разряда tр, 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).
Рисунок 5. Согласование характеристик защищаемых объектов и защитных устройств
Допустим, что необходимо защитить изоляцию объекта, нижняя огибающая ВСХ которой представлена линией 1 (см. рисунок 5). Для этого параллельно данному объекту включим защитное устройство (ЗУ) с искровым промежутком – собственно искровой промежуток, вентильный или трубчатый разрядник. Если ВСХ изоляции ЗУ близка к линии 2 (верхняя огибающая), то защита объекта, по-видимому, будет обеспечена. Защитное устройство с ВСХ, представленной линией 3 (тоже верхняя огибающая), не может защитить изоляцию объекта при малых временах разряда (при большой амплитуде и крутизне фронта набегающей волны). Защитное действие устройства будет тем выше, чем более пологой окажется его ВСХ. При этом должен обеспечиваться координационный интервал Uк величиной 20…25 % от разрядного напряжения защищаемой изоляции.
Построение вольт-секундных характеристик, особенно экспериментальное, довольно трудоемко. Поэтому часто их строят упрощенно, используя две характерные величины. Известно, что вольт-секундная характеристика изоляционного промежутка может быть приближённо описана выражением
,где А и Т – постоянные, определяемые опытным путем.
Эти постоянные можно найти, если известны две точки ВСХ (два значения напряжения разряда Uр и соответствующие им значения времен разряда tр).
Одна из характерных величин ВСХ называется пятидесятипроцентным разрядным напряжением, равным амплитуде такого стандартного грозового импульса, при многократном воздействии которого разряд наблюдается в 50% всех случаев. Это напряжение практически равно минимальному разрядному напряжению и соответствует горизонтальному участку вольт-секундной характеристики промежутка и времени разряда порядка 6…10 мкс (рисунок 6). Оно является мерой импульсной прочности изоляции при воздействии на нее полных (не срезанных) стандартных импульсов напряжения. Отношение 50%-ного разрядного напряжения к амплитуде разрядного напряжения при длительном воздействии (например, при постоянном напряжении или напряжении промышленной частоты) называется коэффициентом импульса. Для промежутков с однородным электрическим полем коэффициент импульса равен единице. Для промежутков с неоднородным полем коэффициент импульса практически всегда больше единицы.
Рисунок 6. К определению двух характерных точек ВСХ изоляции
Второй характерной величиной является разрядное напряжение U2mпри времени разряда 2…3 мкс, что соответствует разряду на максимуме стандартной волны (или в небольшой окрестности за ним). Её удобно измерять при воздействии срезанного импульса. Последнее исключает пробои на хвосте волны, т.е. при больших временах разряда. Следует заметить, что это также пятидесятипроцентное разрядное напряжение, но полученное при испытании изоляции срезанными импульсами. Поэтому и оно является мерой электрической прочности изоляции при воздействии коротких импульсных напряжений.
Описание установки
Для получения испытательных волн напряжения используются генераторы импульсных напряжений (ГИН). ГИН в общей случае представляет собой систему, в которой ряд включенных параллельно друг другу конденсаторов заряжается от общего источника. При достижении, заданного напряжения конденсаторы автоматически соединяются последовательно, в результате чего их напряжения складываются. Последовательная цепь конденсаторов разряжаете на цепь, состоящую из формирующих волну сопротивлений и емкостей. Установка ГИН-1500, используемая в лаборатории содержит три типовых устройства ГИН-500-0,02/5, в состав каждого из которых входит по пять конденсаторов единичной ёмкостью 0,02 мкФ. Питание осуществляется от высоковольтного аппарата АИИ-70, подключаемого посредством штепсельного разъёма к сети через блок-контакты двери защитного ограждения.
Схема ГИН-1500 с представлением внутреннего соединения элементов аппарата АИИ-70 и одного из ГИН-500 приведена на рисунке 7. В схеме приняты следующие обозначения: АТ – регулировочный автотрансформатор; Т – высоковольтный трансформатор; VD1, VD2 и С1– полупроводниковые вентили и конденсатор схемы удвоения; С1э и С2э – экранные ёмкости; R1 и R2 – водяные сопротивления, выполняющие одновременно роль защитных, зарядных и делительных для второго и третьего ГИН-500; R3 и R4 – защитные водяные сопротивления; ЗР1–ЗР3 – запальные разрядники с регулируемым расстоянием между шарами; 1ПР1–1ПР2 – промежуточные разрядники первого ГИН-500; 1С1–1С5 = 0,02 мкФ – основные конденсаторы первого ГИН-500; RФ = 11,6 кОм – фронтовое сопротивление; 1R1–1R5 = 48 кОм, 1R6–1R10 = 12 кОм, 1R11–1R14 = 24 кОм – зарядные сопротивления первого ГИН-500; ИО – испытуемый объект; ШР – шаровой разрядник.