Глава 1.Введение 3
1.1. Актуальность исследования 3
1.2. Практическая значимость 4
1.3. Цель работы и задачи исследования 6
Глава 2.Обзор литературы 8
2.1. Лавинно-стримерный переход 8
2.2. Стримерный процесс и пробой 9
2.3. Электрическая прочность 10
2.4. Барьерная изоляция 10
2.5. Встречный и огибающий лидер 11
Глава 3.Экспериментальное исследование 13
3.1. Щелевой барьер 13
3.1.1.Постановка эксперимента 13
3.1.2.Результаты эксперимента 17
3.1.3.Вывод. 20
3.2. Барьер с нахлестом. Сферический электрод 20
3.2.1.Постановка эксперимента. 20
3.2.2.Результаты эксперимента. 22
3.2.3.Вывод. 23
3.3. Барьер с нахлестом. Цилиндрический электрод 24
3.3.1.Постановка эксперимента. 25
3.3.2.Результаты эксперимента. 26
3.3.3.Вывод. 31
Глава 4.Компьютерное моделирование 32
4.1. Настройка численного решателя 32
4.2. Сравнение эксперимента с моделированием 33
Глава 5.Заключение 35
Список литературы 36
Приложения 38
Предмет данного экспериментального исследования – изучение высоковольтных явлений в электротехнических устройствах. Стримерный разряд является причиной возникновения пробоя межэлектродного промежутка. Для повышения электропрочности промышленных установок используется барьерная изоляция. Важно понимать, как форма изоляции влияет на напряжение пробоя.
Изучение высоковольтных явлений будет начато с описания основных процессов, происходящих в системах электродов без диэлектрического барьера. Далее речь зайдет о повышении электропрочности высоковольтных установок путем введения барьерной изоляции. На текущий момент известно, что пробой в таких системах идет по механизму огибающего либо встречного лидера. Простые конфигурации с плоскими барьерами в целом уже исследованы, в рамках данной работы хочется перейти к более сложным геометриям.
В данной работе будут рассматриваться два типа барьеров, которые раннее не были исследованы: барьер с щелью и барьер с нахлестом. Щелевым барьером будем называть две пластины диэлектрической изоляции, расположенные в одной плоскости с варьируемым зазором между ними. Барьер с нахлестом – это барьер, в котором диэлектрические пластины параллельны, но расположены в разных плоскостях и перекрываются на определенную величину. Для начала хочется пронаблюдать, что происходит, когда уже исследованный сплошной барьер заменяется на барьер с зазором, проанализировать насколько изменятся физические процессы, происходящие в такой системе. Затем тип барьера планируется усложнить путем выставления одного диэлектрика над другим так, чтобы экспериментальная установка была больше похожа на лабиринтную изоляцию.
С точки зрения сложившихся представлений, если сделать в барьере зазор, достаточный для прохождения стримерного канала, это приведет к возможности пробоя огибающим лидером. Значение порога напряжение пробоя также, по идее, должно резко упасть до значения в отсутствии барьера. Данная гипотеза будет проверяться по результатам первой серии экспериментов.
Во второй части экспериментов будет проведено изучение процессов, происходящих в установках при наличии самой простой формы лабиринтной изоляции – барьера с нахлестом. Исследование будет проводиться в системах электродов: сфера-плоскость и цилиндр-плоскость. Пока не известно, как поведет себя лидер в такой модели. Возможно, он «проигнорирует» наличие разрыва барьера и пойдет в обход. С другой стороны, пробой может возникнуть путем замыкания электродов через имеющийся зазор. В этой связи один из очевидных и важных вопросов: какой тип лидера мы зафиксируем – огибающий или встречный?
Электрофизические процессы в высоковольтных изоляционных конструкциях исследуются еще с прошлого века. Несмотря на то, что в настоящее время барьерная изоляция уже применяется в высоковольтной технике, механизм в моделях с барьерами нельзя назвать категорично изученным. Моими предшественниками были объяснены зависимости значения напряжения пробоя, стримерных и лидерных форм от местоположения и конфигурации изолятора, однако, общую теорию создать пока не удалось. Данная работа направлена на исследование следующего этапа изучения электрофизических характеристик изоляции в высоковольтных установках. Таким образом, использование барьеров с несплошной конфигурацией с научной точки зрения является актуальной и неисследованной задачей.
В настоящее время уже известны процессы, происходящие в системах с простыми сплошными барьерами. В конфигурациях такого рода было проведено изучение встречных и огибающих лидеров, по результатам сделан анализ и выведена эмпирическая формула, позволяющая определить пороговое напряжение пробоя в зависимости от кратчайшего пути по воздуху. Научная новизна данного исследования заключается в рассмотрении систем со сложными барьерами, имеющими существенный разрыв в конструкции.
Для системы со сферическим электродом, где определяющим фактором пробоя является стримерно-лидерный переход, даже при дистанции между барьерами в 5 и более миллиметров наличие диэлектрического барьера способно повысить электропрочность системы.
Описана промежуточная форма огибающего и встречного лидеров. Данная структура плазменного канала была зафиксирована при переходе от сплошной изоляции к барьерам, приставленным впритык, имитирующих изоляцию с зазором
Широко применяемая линейная зависимость напряжения пробоя от кратчайшей длины по воздуху дает большую погрешность (до 50%) для барьеров сложной конфигурации –с разрывом.
В системе электродов цилиндр-плоскость при наличии барьеров и с учетом малого межэлектродного расстояния пробой происходит на пороге лавинно-стримерного перехода. Предполагается, что существенное влияние на значение напряжения пробоя оказывает присутствие в межэлектродном промежутке затравочных электронов, которые, в том числе, образуются с поверхности диэлектрического барьера.
Данная исследовательская работа является стартовой в изучении явления лабиринтного эффекта. С использованием данных проведенных экспериментальных испытаний, возможно, в дальнейшем получится создать единую методику, однозначно определяющую процессы, происходящие в высоковольтных установках при наличии барьерной изоляции.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
