О выборе экранов для опорных конструкций аппаратов сверхвысокого напряжения

УДК 621.317.333.8.027.89:621.315.66

 Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, вып. 91, с.50-59.
В качестве критерия связи электрической прочности опорных изоляционных конструкций с характеристиками их электрического поля предложен интегральный параметр — падение напряжения на части высоты конструкции, равной критической длине стримерной эоны воздушного промежутка экран — плоскость соответствующей длины. Для обоснования этого критерия измерены распределения напряженности электрического поля вдоль конструкции в процессе разряда с помощью световой системы передачи информации. Дана расчетно-экспериментальная методика определения диаметра экрана конструкции, обеспечивающего максимальную электрическую прочность конструкции.
Библиогр.: 4.

И. В. Заргарян, В. В. Мельникова, Л. С. Слуцкин
О ВЫБОРЕ ЭКРАНОВ ДЛЯ ОПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АППАРАТОВ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Аппараты высокого напряжения обычно снабжаются специальными экранами, предназначенными для ограничения интенсивности коронного разряда на элементах конструкции, находящихся под высоким напряжением. Экранирующая арматура изоляционных конструкций [1] может заметно влиять на их электрическую прочность. В связи с этим провели [2] анализ роли экранов, исходя из характера создаваемого ими поля. Для решения этой задачи в качестве критерия связи электрической прочности изоляционной конструкции с ее электрическим полем авторы [2] предлагают использовать зависимости напряженности электрического поля на краю верхнего фланца изолятора от радиуса экрана и его высоты над землей. По характеру изменения напряженности поля в этой точке, откуда, по мнению авторов, и следует ожидать развития разряда, оценивается экранирующий эффект.
Известно, что при наличии экрана разряд по опорной конструкции может развиваться либо с фланца изолятора, либо с экрана, поэтому в соответствии с подходом, развитым в [2] , можно было бы надеяться, что для анализа характеристик электрического поля изоляционной конструкции достаточно сопоставлять напряженность поля в двух характерных точках — на краю верхнего фланца и на экране. Однако можно показать, что и такой анализ дает лишь качественную картину, да и то не для всех вариантов экранирования. Расчеты поля в двух характерных точках были проделаны методом эквивалентных зарядов. Фланец изолятора аппроксимировался системой кольцевых' зарядов с постоянной плотностью, тороидальный экран — одним кольцевым зарядом. Расчеты были выполнены в широком диапазоне изменения геометрических параметров электродов и всей системы в целом. Так, высота конструкции менялась в пределах 3—11 м, радиусы экранов 0,25—1,5 м, радиус трубы экранов 0,025—0,01 м. Указанные диапазоны параметров охватывают реальные размеры конструкций и экранов аппаратов 330—1150 кВ. Положение экрана относительно верхнего фланца также изменялось в широких пределах и составляло 0, ±25, ±50, ± 75 см (знак плюс соответствует положению экрана выше фланца изолятора, минус — ниже).
Расчеты показали, что зависимости напряженности поля на экране и фланце от положения экрана и        могут пересекаться в двух точках (рис. 1). Точки пересечения выделяют зону, где напряженность поля на экране превышает напряженность поля на фланце — зону, где максимальная напряженность системы электродов фланец изолятора - экран равна напряженности на экране и не зависит от его положения. Однако в ряде случаев эти две характеристики не пересекаются; это свидетельствует об отсутствии экранирующего эффекта, что противоречит экспериментальным данным по электрической прочности опорных колонок [1] .

Поскольку развитие разряда в длинных воздушных промежутках определяется условиями в некоторой области, прилегающей к электроду высокого напряжения, то в качестве искомого критерия в данной
работе был предложен интегральный параметр — падение напряжения на некоторой части высоты изоляционной конструкции, т. е.
Для того, чтобы перекрытие конструкции развивалось с экрана, это падение напряжения должно быть меньше, чем электрическая прочность воздушного промежутка экран — плоскость длиной I, равной верхнему пределу интегрирования в выражении
Для реализации предложенной модели расчета необходимо решить две задачи — во-первых, выполнить расчет распределения напряженности поля вдоль опорной изоляционной конструкции, во-вторых, определить верхний предел интегрирования в выражении. Кроме
того, следует в принципе показать возможность использовать в качестве критерия характеристику электростатического поля, поскольку очевидно, что после возникновения на электродах конструкции коронного разряда начальное распределение поля будет сильно искажено. В связи с этим в работе были выполнены измерения напряженности электрического поля в некоторых точках изоляционной конструкции в процессе разряда. Измерения проводились на одиночной опорной колонке высотой 5,5 м, собранной из изоляторов КО—110, установленной на плоскости и снабженной экраном диаметром 10 см. Экран устанавливался на 20 см ниже уровня верхнего фланца. Испытания были проведены при воздействии колебательных коммутационных импульсов положительной полярности с фронтом 4000 мкс.

Рис. 1. Зависимости напряженности электростатического поля на нижнем крае верхнего фланца колонки и экране от расстояния между горизонтальной осью экрана и верхним краем фланца для опорной конструкции высотой 5 м с экраном радиусом 75 см:
●, о — r= 2,5 см; , ▲ — 5 см; ■, □ — 7,5 см

В процессе эксперимента к объекту испытана» прикладывалось напряжение, соответствующее примерно 50%-ной вероятности разряда, и поочередно регистрировалась напряженность поля на поверхности трех верхних фланцев изоляторов колонки. Одновременно с измерением напряженности регистрировался процесс развития разряда во времени с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП).
Для измерения напряженности поля использовался способ, предложенный в [3] . Значение средней напряженности электрического поля на поверхности какого-либо металлического тела можно определить из выражения  где L — ток смещения через поверхность металлического тела, в месте расположения которого измеряется напряженность поля; 5 — площадь сечения электрода, нормальная к направлению вектора напряженности электрического поля.
На практике вместо измерения тока смещения измеряют пропорциональное падение напряжения на интегрирующем конденсаторе. С этой целью на поверхности, где измеряется напряженность поля, выделяется изолированная измерительная секция и между измерительной секцией и всей поверхностью включается интегрирующий конденсатор, напряжение на котором связано с напряженностью поля соотношением  где С — емкость интегрирующего конденсатора.
В данном случае для измерения напряженности поля на фланце изолятора использовали металлический экран овальной формы с размерами 38x30 см, охватывающий фланец. Внутри экрана, в пространстве между флянцем и экраном помещалась измерительная схема, аналогичная описанной в [3] . На экране была укреплена измерительная секция размерами 13x7 см2, изолированная от экрана и залитая в эпоксидный компаунд, что предотвращало развитие с нее коронных процессов.
Для передачи сигнала от измерительной схемы (рис. 2), находящейся под высоким потенциалом, к регистрирующей аппаратуре, расположенной под потенциалом земли, была применена беспроводная световая система передачи информации. Амплитудным модулятором света служил светодиод. Электрический сигнал формировался на интегрирующем конденсаторе, поступал на согласующее устройство и далее
на светодиод, где преобразовывался в световой сигнал. Световой сигнал по световоду длиной 9 м с коэффициентом передачи 10% передавался к фотоэлектронному умножителю (ФЭУ), находящемуся под потенциалом земли, где вновь преобразовывался в электрический сигнал и поступал на вход осциллографа.

Рис. 2. Структурная схема намерения напряженности электрического поля

В схеме был использован светодиод АЛ 102 А. Для линеаризации его вольт-световой характеристики на него подавалось постоянное отрицательное смещение, которое обеспечивало линейность характеристики светодиода в диапазоне значений измеряемого сигнала ±2 В. В схеме был применен фотоэлектронный умножитель ФЭУ—61, обладающий достаточной чувствительностью в диапазоне длин волн, на который приходится максимум излучения светодиода (700 нм). Сигнал с выхода ФЭУ регистрировался осциллографом С1-17 с усилителями.

Рис. 3. Осциллограммы напряженности электрического поля на трех верхних фланцах опорной конструкции при отсутствии разрядов: а — первый фланец сверху; б — второй; в — третий

Погрешность измерений складывается из погрешностей датчика, осциллографирования, прямого преобразования измеряемого сигнала, когда он с помощью светодиода преобразуется из электрического сигнала в световой, и погрешности обратного преобразования сигнала с помощью ФЭУ.
Оценка показывает, что суммарная погрешность не превышает 20%. Для такого рода измерений это может считаться вполне удовлетворительным.
Осциллограммы напряженности поля на трех верхних фланцах опорной колонки приведены на рис. 3. На осциллограмме напряженности поля на верхнем фланце (рис. 3, а) можно выделить три характерных участка. На участке 1 , соответствующем росту напряжения от нуля до напряжения возникновения короны, составляющем примерно 30% напряжения пробоя, форма кривой напряженности поля повторяет форму кривой напряжения; напряженность поля на этом участке определяется электростатическим полем и может быть определена расчетным путем как E=kU , где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и расположения электродов.
На участке 11 напряжение продолжает расти от У до максимального значения; этот участок характеризуется возникновением многочисленных коронных вспышек с разных точек экрана и фланца. На этом участке происходит интенсивное внедрение объемного заряда в межэлектродный промежуток, вызывающее резкое перераспределение электрического поля и приводящее к нарушению подобия между кривыми напряженности и напряжения. Напряженность поля на этом участке сначала резко падает, а потом изменяется случайно, нерегулярно, в зависимости от момента возникновения коронных вспышек, места их возникновения и направления развития. Сопоставление осциллограмм напряженности поля и сопрограмм процесса развития разряда позволяет утверждать, что каждой коронной вспышке соответствует скачок напряженности поля.
Начало участка Ш характеризуется прекращением ионизационных процессов в промежутке. На этом участке, соответствующем снижению напряжения от максимального до нуля, напряженность поля сначала повышается др некоторого максимального значения и далее падает до нуля. На этом участке, с одной стороны, происходит слад приложенного напряжения, с другой — рейф объемного заряда, его уход от электрода высокого напряжения и соответственно от датчика напряженности поля. Рост напряженности поля на участке 111 продолжается до тех пор, пока объемный заряд и поле, создаваемое им, могут компенсировать спад напряжения.
На осциллограммах напряженности поля на втором и третьем фланцах (рис. 3, б, в) можно также выделить три характерных участка, аналогичных указанным выше. Электростатическая составляющая напряженности поля на этих двух фланцах значительно меньше, чем на верхнем. На участке 11 может наблюдаться изменение знака напряженности поля, совместный анализ напряженности показал, что это изменение соответствует достижению границей стримерной эоны уровня соответствующего фланца.
Осциллограммы напряженности поля при перекрытии опорной колонки полностью аналогичны рассмотренным выше на первых двух участках, участок 111 при этом, естественно, отсутствует.
Подводя итог анализу осциллограмм напряженности электрического поля, можно сказать следующее: сразу же после возникновения короны кривая напряженности электрического поля резко отклоняется от закона Е=kU и изменяется самым случайным и нерегулярным образом до момента пробоя или максимума напряжения. Кроме того, важно отметить, что и в присутствии объемного заряда распределение напряженности поля вдоль опорной изоляционной конструкции является резко неравномерным. Так, на третьем фланце напряженность поля составляем всего 5—10% напряженности на первом фланце. Это обстоятельство является весьма существенным для обоснования возможности введения интегрального критерия связи электрической прочности конструкции с характеристиками ее электрического поля.
Учет объемного заряда в расчетах таких сложных полей, как поле изоляционной конструкции, не представляется возможным, ибо характер изменения напряженности поля в присутствии объемного заряда зависит от многих случайных причин. Но поскольку ниже определенного уровня регистрация напряженности поля даже в присутствии объемного заряда в течение всей начальной фазы дает весьма низкие значения, то можно вести расчет по электростатическому полю, но на достаточно протяженной области, т. е. по интегральному критерию.
В качестве верхнего предела интегрирования в выражении
может быть принята критическая длина стримерной эоны, достижение которой необходимо для устойчивого развития лидерного процесса
а)
где U, — выдерживаемое напряжение воздушного промежутка, кВ;
Εст — средняя напряженность в стримерной зоне, принятая равной 4,5 кВ/см; — напряженность в канале лидера; 5 — длина промежутка. Напряженность в канале лидера рассчитывалась в соответствии с данными [4] . Выражение (1) справедливо для момента установления сквозной фазы развития разряда, когда длина стримерной зоны может быть иной, чем в момент начала непрерывного лидера. Справедливость этого выражения для расчета Lст,кр в момент начала непрерывного лидера имеет место только для импульсов с критическим фронтом, когда развитие непрерывного лидера происходит с не увеличивающейся стримерной зоной.
Поскольку при эффективном экранировании опорной изоляционной конструкции перекрытие ее происходит по воздушному промежутку экран — плоскость, то для расчета критической длины стримерной эоны можно воспользоваться зависимостью выдерживаемого напряжения этого промежутка от его длины. Такая зависимость может быть получена из [1] , где приведены данные о 50%-ных разрядных напряжениях промежутков экран — плоскость различной длины при импульсах напряжения с фронтом 200—500 мкс. Для перехода к выдерживаемым напряжениям воспользуемся выражением
(2)
Зависимостьпредставлена на рис. 4, значение коэффициента вариации в выражении (2) было принято равным 5%.
Ниже приведены значения критической длины стримерной эоны в зависимости от длины промежутка:

Расчетпроводился на ЭВМ "Мир—2". Радиус трубы экрана гтр определялся из соотношениякоторое является оптимальным для достижения наибольшего напряжения возникновения короны. При расчетах было принято, что экран расположен на 25 см ниже уровня верхнего фланца изолятора.
Необходимый радиус экрана при данной высоте конструкции определяется следующим образом. Для воздушного промежутка экран — плоскость длиной, равной высоте конструкции, определяется критическая длина стримерной эоны. Далее рассчитывается зависимость

значения интегралаот радиуса экрана и определяется выдерживаемое напряжение воздушного промежутка экран — плоскость длиной, равной критической длине стримерной зоны, найденной выше. Точка пересечения горизонтальной прямойи
зависимостидает минимальный радиус экрана, обеспечивающий наибольшую электрическую прочность конструкции.

Указанным методом были найдены необходимые диаметры экранов и построена зависимость диаметра экрана от высоты конструкции R=f(n) (рис. 4), из которой следует, что отношение Dэ/Н остается примерно постоянным и равным 0,25 для конструкции высотой 3—11 м.
В [l] было экспериментально показано, что для опорных изоляционных конструкций высотой 4-8 м для получения максимальной электрической прочности при коммутационных импульсах диаметр экрана следует выбирать из условия Dэ/Н 0,2. Результаты, полученные в статье, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Следует отметить, что предложенная расчетно-экспериментальная методика выбора экрана, обеспечивающего максимальную электрическую прочность опорной конструкции, хотя и основана на расчетах электростатического поля, тем не менее учитывает и и форму воздействующего напряжения, поскольку одной из исходных зависимостей является зависимость выдерживаемого напряжения воздушного промежутка экран — плоскость от его длины, которая при прочих равных условиях есть функция воздействующего напряжения.
Список литературы

1. Кокуркин Б. П., Слуцкин Л. С. Разрядные характеристики пирамидальной опорной конструкции. — Электричество, 1975, № 11, с. 70—72.
2. Александров Г. Н., Сергеев А. С. О влиянии экранов на электрическую прочность опорных изоляционных конструкций. — В кн.: Тр. ЛПИ, 1977, вып. 357, с. 93-97.
3. Базелян Э. М., Бранденбургский В. А., Понизовский А. З. Устройство для намерения импульсного электрического поля. - Приборы и техн. эксперимента, 1977, № 2, с. 137-139.
4. Les Renardieres Group Research on long air gap dishas at Les Renardieze. - Electra, 1974,№ 35, p. 49-156.