Введение
1. Обзор литературы
1.1. Общие сведения по теории искрового электрического пробоя
1.1.1. Лавинный механизм ударной ионизации
1.1.2. Стримерный разряд
1.1.3. Лидерный разряд
1.2. Влияние барьерной изоляции на стримерные и лидерные процессы в воздухе
2. Техника и методика эксперимента
2.1. Описание экспериментальной установки и оборудования
2.2. Барьерная изоляция
2.3. Методика проведения экспериментов. Статистическая оценка результатов
испытаний
3. Барьеры расположены перпендикулярно заземленной плоскости ................... 23
3.1. Конфигурация барьеров и последовательность действий эксперимента ..... 23
3.2. Анализ полученных результатов
3.2.1. Зависимость напряжения пробоя от расстояния между электродом и
барьером
3.2.2. Зависимость напряжения пробоя от межэлектродного расстояния ....... 28
3.2.3. Измерение длины стримеров
3.2.4. Поведение и времена возникновения лидерных каналов
3.2.5. Заряд и токи, наведенные стримерами на заземленную плоскость ....... 34
3.2.6. Упрощенное моделирование искажения напряженности электрического
поля накопленным барьерами поверхностным зарядом
3.3. Выводы
4. Барьеры расположены параллельно горизонтальной плоскости ...................... 42
4.1. Конфигурация барьеров и последовательность действий эксперимента ..... 42
4.2. Анализ полученных результатов
4.2.1. Зависимость напряжения пробоя от высоты зазора
4.2.2. Поведение лидеров при наличии зазора46
4.3. Выводы.
5. «Канал» в диэлектрике
5.1. Конфигурация барьеров, метод создания «сплошного» диэлектрического
барьера из отдельных листов и последовательность действий эксперимента .................. 49
5.2. Анализ полученных результатов
5.2.1. Зависимость напряжения пробоя от ширины канала
5.2.2. Упрощенное моделирование распространения и нагрева стримерной
ветви в барьерной изоляции при наличии канала
5.3. Выводы
6. Заключение
7. Список литературы
Приложение: Удельная поверхностная и объемная сопротивления стёкол .
В сильных электрических полях возможны процессы, в которых газообразные диэлектрики перестают играть роль электрической изоляции. Так, при достижении определенного значения напряженности электрического поля, возникает явление электрического пробоя, в частности – искрового пробоя. Искровой электрический пробой, а также предшествующие ему стадии лавинного, стримерного и лидерного разряда, с точки зрения физики - это прежде всего потеря промежутком между электродами изоляционных свойств и возникновение между ними проводящего канала. Данный процесс нарушает нормальное функционирование высоковольтных устройств, вследствие чего существует актуальная задача: суметь предсказать и предотвратить появление разрядной активности.
Наличие твердых диэлектрических элементов влияет на разрядные процессы. В высоковольтных устройствах диэлектрические барьеры используются для защиты системы от пробоев, влекущих повреждение деталей и нарушение работы самого аппарата. Они препятствуют развитию стримеров и осложняют стримерно-лидерный переход.
Создаваемая таким образом «барьерная изоляция» позволяет снизить напряжение пробоя при неизменном межэлектродном расстоянии, что важно для создания компактных высоковольтных устройств. Однако, как будет показано в данной работе, барьерная изоляция не всегда повышает напряжение пробоя – возможен и противоположный результат, облегчающий стримерно-лидерный переход.
Вследствие наличия множества форм диэлектрических барьеров, а также различного их расположения относительно оборудования, они не всегда удовлетворяют необходимым требованиям защиты высоковольтных устройств, что ведет к появлению разрядной активности. Использование существующих методов по определению напряжения пробоя в воздухе для систем с наличием барьерной изоляции также стоит под вопросом. C научной точки зрения, влияние различных форм барьерной изоляции изучено слабо – природа и характеристики процессов известны далеко не полностью. Знание же этой информации поможет производить более выгодную и электропрочную изоляцию, не допускающую развития нежелательной разрядной активности, а также более точно давать оценку выдерживаемых напряжений.
Самые простые конфигурации диэлектриков уже изучены, однако, остается открытым вопрос существования специфических «опасных» конфигураций, информации о которых на данный момент мало. Таковы, в частности, случаи наличия узких воздушных каналов, а также зазоров различной ширины в диэлектрике. В данной работе были поставлены эксперименты с использованием таких конфигураций, а именно рассматривались следующие типы барьерной изоляции: один или два (образующие воздушный зазор) барьера, расположенные перпендикулярно заземленной горизонтальной плоскости вдоль возникновения разрядной активности; барьерная изоляция, образующая зазор, расположенный параллельно заземленной горизонтальной плоскости; барьер, имеющий «канал» - протяженную выемку. Таким образом, изучалось влияние диэлектрических барьеров, расположенных в системе высоковольтный электрод-сфера – заземленная плоскость, на напряжение стримерно-лидерного перехода, на поведение и характеристики стримеров и лидеров, при воздействии на систему стандартного грозового импульса.
Общие методы испытаний при наличии барьерной изоляции, условия проведения этих испытаний и требования к объекту испытания, а также рекомендации по оценке результатов испытаний в данной работе проводятся согласно ГОСТ 1516.2-97, что важно для достоверности полученных результатов и дальнейшего их использования в других работах.
Актуальность работы связана с вопросами использования барьерной изоляции для предотвращения нежелательной разрядной активности. Учитывая стремление сделать высоковольтные устройства более компактными, широких воздушных промежутков в них почти не остается; в таких условиях представляет интерес тот факт, что ограничение воздушного промежутка между электродами твердым диэлектриком может не повышать, а снижать напряжение пробоя. Важным вопросом является получение новых закономерностей и рекомендаций для воздушных зазоров в высоковольтной изоляции.
Таким образом, можно выделить основную цель работы:
- Выявить влияние воздушных зазоров в барьерной изоляции различной конфигурации на напряжение пробоя, на поведение стримеров и лидеров в воздухе, при воздействии на систему стандартного грозового импульса.
Для достижения данной цели, ставятся следующие задачи:
- Накопление экспериментальной базы данных по особенностям предпробойных и пробойных процессов при наличии воздушных зазоров между твердыми диэлектрическими элементами в воздухе при воздействии на систему грозовыми импульсами напряжения;
- Объяснение результатов экспериментов, с привлечением компьютерного моделирования;
- Выработка рекомендаций по выбору воздушных зазоров в высок
Результаты проведенных экспериментов с привлечением компьютерного моделирования для визуализации и объяснения полученных результатов показали, что наличие воздушных зазоров в барьерной изоляции влияет на разрядные процессы в воздушном пространстве при воздействии на систему стандартным грозовым импульсом напряжения:
- при наличии одного или двух твердых диэлектрических барьеров, расположенных вдоль пути распространения разрядной активности и перпендикулярно заземленной плоскости по сравнению со случаем отсутствия барьеров, характерно: уменьшение до 11% (и увеличение в определенном интервале расстояний барьер-электрод для двух барьеров до 6%) напряжения пробоя; уменьшение длины стримеров, если они не достигают противоэлектрода; уменьшение наведенных токов стримеров. Данные эффекты вызваны, скорее всего, искажением электрического поля поверхностными зарядом, напыляемым стимерами на барьеры – уменьшению напряженности вблизи активного электрода и увеличению вблизи заземленной плоскости. Выявлено, что использование критериев, предсказывающих возникновение стримерно-лидерного перехода в воздушном пространстве для системы с наличием барьеров, может приводить к ошибке до 11%;
- при наличии воздушного зазора между барьерами, расположенными перпендикулярно пути распространения разрядной активности и параллельно горизонтальной заземленной плоскости характерно: уменьшение напряжения пробоя при уменьшении высоты зазора до 18%; лидерный канал направлен преимущественно в сторону зазора;
- при наличии «канала» в барьерной изоляции, расположенного перпендикулярно пути распространения разрядной активности и параллельно горизонтальной заземленной плоскости, характерно: падение напряжения пробоя до значения, определяющегося «минимальной» толщиной барьера, при увеличении ширины канала; траектория лидера, совпадающая с направлением канала.
Выявлена общая для всех рассмотренных систем закономерность – наличие воздушных зазоров порядка нескольких сантиметров и меньше между твердыми диэлектрическими элементами приводит к снижению напряжения стримерно-лидерного перехода. Таким образом, использование рассматриваемых конфигураций твердых диэлектрических элементов в барьерной изоляции сопровождается с риском возникновения нежелательной разрядной активности, которая может привести к повреждению высоковольтных устройств и используемой изоляции
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
