Физическое объяснение пробоя при напряженности электрического поля при кратковременных перенапряжениях в переходных процессах. В случае дефекта в виде иглы (сильно неоднородное поле) будет происходить пробой, вызванный лидером. Головка лидера начинает формироваться в области высокого потенциала на конце иглы в разрядном промежутке. Движение лидера по направлению к противоположному электроду идет, если ток лидера является достаточным для термализации газа у головки лидера. Следовательно, для возникновения и движения лидера должен быть превышен критический ток лидера. Ток лидера обусловлен стримерными разрядами перед головкой лидера и током смещения id, зависящим от емкости по отношению к противоположному электроду и напряжения (рис. 12).
Ток смещения достигает больших значений, что обусловлено очень высокой частотой кратковременного перенапряжения в переходных процессах, даже если его амплитуда является сравнительно низкой. Следовательно, это колебательное напряжение является решающим фактором движения лидера и последующего пробоя. Эксперименты показали, что чем меньше амплитуды этого колебательного напряжения, тем выше уровни выдерживаемого напряжения.
Рис. 12. Развитие лидера:
1 — игла; 2 — лидер; 3 — стример
Рис. 13. Пробой в процессе операции переключения: Uс — пиковое значение номинального рабочего напряжения (фазового); В — пробой
Рис. 14. Зависимость относительного выдерживаемого напряжения Ur (см. рис. 11) от времени до пикового напряжения или до пробоя секции сборной шины в элегазе:
А — в отсутствие дефектов (стримерный пробой); В - в присутствии дефектов (лидерный пробой); кривая I — в отсутствие дефектов; II — в присутствии дефектов
Время фронта импульса само по себе в начале переходного процесса является слишком коротким, чтобы вызвать эффективное движение лидера, но колебания на хвосте импульса могут вызвать пробой. Вследствие того, что процесс термализации газа идет медленно, медленно движется и лидер. Стример достигает противоположного электрода после времени задержки формирования порядка 1 мкс (рис. 13) и вызывает пробой.
Результаты измерений, выполненных на испытательных установках, приведены на рис. 14. В отсутствие дефектов кривая I представляет хорошо известную характеристику, когда с уменьшением времени до максимума возрастают значения выдерживаемого напряжения. Пробивные напряжения при напряженностях электрического поля при кратковременных перенапряжениях в переходных процессах (область А на рис. 14) секции сборных шин больше, чем при напряжении стандартного грозового импульса.
При наличии дефектов (иглы разной длины) пробивное напряжение (кривая II) может значительно понизиться по сравнению с номинальным выдерживаемым напряжением грозового импульса. В этом случае область В на рис. 14 представляет пробивное напряжение в процессе операции переключения и высокочастотные колебания при наличии прикрепленного дефекта. Нижний предел этого интервала представляет рабочее напряжение (фазовое). Эти результаты помогают понять КЗ на землю при переключении разъединителя в смежных с ним секциях сборных шин.
Наличие опасных дефектов может быть определено при испытаниях напряжением грозового импульса (т. е. колебательным напряжением грозового импульса). Следовательно, в специальных случаях при испытаниях на месте установки испытания переменным напряжением или колебательным напряжением коммутационного импульса следует дополнить испытаниями напряжением грозового импульса.
Исследование поверхностных разрядов в SF6 на изоляторах при коммутациях
УЖ [621.315.618:621.315.623.4].621.3.015.38
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ РАЗРЯДОВ В SF6 НА ИЗОЛЯТОРАХ В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ ПРИ КОММУТАЦИЯХ*
Маллер (Индия), Сривастава (Канада)
В КРУ среднего напряжения все более широко применяется элегазовая изоляция. В этих типах КРУ по технико-экономическим соображениям нецелесообразно создание конструкций с однородным электрическим полем. Большинство известных в литературе результатов испытаний получено для однородного или почти однородного электрических полей. Эти данные не могут быть экстраполированы на неоднородные поля, в частности, вследствие того, что на механизм перекрытия по поверхности оказывают значительное влияние коронные разряды, пространственный и поверхностный заряды. В докладе приведены результаты экспериментальных исследований процесса возникновения поверхностных разрядов в системе электродов стержень - плоскость в присутствии изолятора. Диаметр полусферической головки стержня составлял 0,16 см, диаметр плоского электрода 10 см. Цилиндрический политетрафторэтиленовый изолятор имел диаметр 5 см. Время до первого коронного разряда и до пробоя измеряли с помощью регистратора переходных явлений с автоматической обработкой информации и выводом на осциллограф. Остаточный заряд на поверхности изолятора измеряли с помощью калиброванного и полностью защищенного емкостного зонда. Сигнал от зонда усиливался и подавался в запоминающее устройство осциллографа. Исследования проводили при коммутационных импульсах напряжений (100/3000 мкс). Изолятор полировали и подвергали ультразвуковой очистке, что обеспечивало отсутствие зарядов до начала испытаний. Технически чистый (99,8%) осушенный элегаз подавали в бак, предварительно вакуумированный до давления 0,01 кПа. Давление элегаза в баке составляло 0,1-0,3 МПа. Все испытания выполняли при комнатной температуре.
* V. N. Mailer, K. D. Srivastava. Insulator surface discharge studies in SFg under switching transients. (India, Canada). Доклад 15-02 на сессии СИГРЭ 1986 г. Пер. с англ. В. А. Минасбековой.
Коронные разряды.
В присутствии в разрядном промежутке изолятора вначале появляется слабый одиночный импульс коронного разряда. При увеличении приложенного напряжения количество импульсов и частота их появления возрастают.
Увеличиваются также амплитуды последовательных импульсов. Так как ток импульса коронного разряда указывает, какое расстояние проходит стример, очевидно, что последовательное увеличение амплитуд импульсов служит указанием, что в этих условиях тангенциальное поле, обусловленное поверхностными зарядами, способствует развитию стримера. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает пробой под действием коронных разрядов со все большей амплитудой импульсов. Таким образом, в сильно неоднородных полях на механизм перекрытия по поверхности могут оказывать значительное влияние коронные разряды, вызванные пространственным и поверхностным зарядами вблизи стержня и на изоляторе.
Для исследования влияния предразрядных импульсов на перекрытие по поверхности изолятора измеряли временную задержку возникновения коронного разряда и проводили статистический анализ полученных данных.
Время возникновения коронного разряда t определяется как время до появления первого импульса коронного разряда, независимо от того, будут следовать за ним другие импульсы или нет. Время возникновения коронного разряда измеряется как функция приложенного напряжения при постоянных значениях диаметра анода и в отсутствие изолятора в разрядном промежутке. Так как разброс во времени до возникновения разряда связан со скоростью зарождения начинающих лавину электронов, данные по времени задержки разряда анализируются статистически. Наиболее приемлемая функция распределения, которая удовлетворяет экспериментальным данным по времени задержки t, является логарифмически нормальной, где t - среднее значение времени t; σ - логарифмически стандартное отклонение.
(1)
Вероятность времени задержки p(t) рассчитывается из уравнения (1) с использованием экспериментально полученных значений t для различных приложенных напряжений.
Результаты показаны на рис. 1. Во всех случаях среднее значение времени задержки коронного разряда снижается с увеличением напряжения. Разброс тем меньше, чем меньше диаметр анода. Для данных давления и приложенного напряжения присутствие изолятора вызывает значительное снижение времени задержки коронного разряда. Например, при давлении элегаза 0,1 МПа и 95 кВ изолятор приводит к снижению среднего времени задержки с 80 до 40 мкс.
Рис. 1. Вероятность распределения времени задержки формирования коронного разряда в присутствии политетрафторэтиленового изолятора при давлении SFg 0,1 МПа и r= 0,3 см (а) и r= 0,08 см (б)
Разброс во временах до возникновения коронного разряда обычно связывают со скоростью зарождения начинающих лавину электронов, которая в свою очередь зависит от давления газа, формы волны импульса и радиуса стержня. Значительное изменение во временной задержке указывает на соответствующее изменение в механизме зарождения электронов. Это может быть проанализировано с помощью диаграмм Лауз исходя из понятия критического объема.
Диаграммы Лауэ.
В неоднородном поле предпробойный процесс зависит от критического объема, определяемого как область, из которой электронная лавина может расти до критического размера и развиться в стример. В таком критическом объеме первичные электроны зарождаются со скоростью, являющейся функцией приложенного напряжения, и, следовательно, времени. Если р(Г) представляет вероятность коронного разряда до времени t, то (1 - p(t)] представляет вероятность отсутствия коронных разрядов до времени t. Представление зависимости - lg [l-p(t)] от t известно как диаграмма Лауэ. Наклон этой диаграммы является показателем вероятности нахождения электронов в критическом объеме газа, инициирующих стример.
На рис. 2 представлены диаграммы Лауэ для времени задержки коронного разряда при давлении SF60,l МПа в присутствии и отсутствие изолятора в разрядном промежутке. Время задержки коронного разряда в отсутствие изолятора при напряжении 78 кВ составляет от 50 до 220 мкс, в присутствии изолятора - только 20 и 40 мкс. Значительно больший наклон диаграммы в присутствии изолятора свидетельствует, что он оказывает определяющее влияние на зарождение электронов. Это может быть обусловлено более сильными локальными полями, образуемыми поверхностным зарядом, что способствует процессу отрыва электронов или высвобождения захваченных электронов с поверхности изолятора вследствие различных вторичных процессов. Однако при более высоком напряжении (94 кВ) влияние изолятора становится менее значительным вследствие сильного внешнего поля по сравнению с полем на поверхности изолятора.
Результаты исследования влияния неоднородности поля на критический объем с помощью диаграмм Лауэ для временной задержки при различном диаметре анода приведены на рис. 3. Наклон диаграмм возрастает с уменьшением диаметра анода при одном и том же напряжении. Как правило, диаграммы Лауэ не являются дискретными, что указывает только на один механизм зарождения электронов при данной величине напряжения. Однако скорость зарождения электронов, по-видимому, очень сильно зависит от степени неоднородности поля (рис. 3).
Рис. 2. Диаграммы Лауз для времени возникновения коронных разрядов при разных напряжениях и давлении SF6 0,1 МПа:
1 — в присутствии тефлонового изолятора; 2 - в отсутствие изолятора
Рис. 3. Диаграммы Лауэ для различных радиусов электрода в присутствии политетрафторэтиленового изолятора при положительном коммутационном импульсе и давлении SF6 0,1 МПа
109
Рис. 4. Изменение критического объема в разрядном промежутке точка — плоскость в отсутствие изолятора при различных напряжениях и радиусах электрода и давлении SFg 0,1 МПа:
кривые 1, 2, 3 и 4 получены для электродов диаметром 10, 6, 3 и 1 мм соответственно
На рис. 4 показано изменение критического объема для точечного анода в аналогичном газовом разрядном промежутке в отсутствие изолятора. Следует отметить, что чем больше анод, тем больше критический объем. При большем аноде увеличивается также время задержки формирования коронного разряда. Это указывает на влияние поверхностных зарядов на изоляторе на последующие процессы образования коронных разрядов и пробоя.
В присутствии в разрядном промежутке изолятора критический объем установить трудно. Исходя из полученных результатов можно рассматривать эквивалентную область на изоляторе и системе электродов, из которой электронная лавина может расти и инициировать пробой. В отличие от разрядного промежутка точка - плоскость в отсутствие изолятора эта эквивалентная область должна содержать все возможные центры инициирования разрядов на изоляторе и электродах. В этой области скорость зарождения начинающих лавину электронов зависит от приложенного электрического поля; локальные электрические поля поверхностных зарядов и скорость зарождения электронов будут изменяться со временем.
