Глава четвертая
РАЗРЯДНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТИПОВЫХ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ
4-1. Пробой некоронирующих воздушных промежутков в сухих условиях
Некоронирующие воздушные промежутки — это такие промежутки, в которых в рассматриваемых диапазонах изменения длины промежутка, плотности воздуха и частоты пробой происходит при начальном напряжении, а стационарный (квазистационарный) коронный разряд отсутствует. Однако необходимо иметь в виду, что некоронирующий промежуток при изменении условий разряда может стать коронирующим. Граница перехода некоронирующего промежутка в коронирующий может быть установлена исходя из условия превышения пробивного напряжения над начальным. При этом для определения пробивного напряжения можно воспользоваться формулами, приведенными в разделе 4-2, а начального в разделах 2-2 и 2-3.
Для сравнительной оценки пробивных напряжений некоронирующих промежутков в некоторых случаях мы будем приводить значения пробивных напряжений коронирующих промежутков, как правило, промежутков стержень—стержень и стержень—плоскость. Промежуток стержень—плоскость обладает наименьшей электрической прочностью из рассмотренных ниже. Следовательно, по разрядным характеристикам этих промежутков можно судить о пределах изменения электрической прочности остальных воздушных промежутков.
Пробивные напряжения при высоких частотах для промежутков шар—шар и шар—плоскость представлены на рис. 4-1. Там же для сравнения приведены пробивные напряжения шарового разрядника при напряжении промышленной частоты. На рис. 4-1 и далее даются амплитудные значения разрядных напряжений. В промежутке шар- шар наблюдается небольшое снижение пробивных напряжений при частоте 150 кГц, начиная с расстояния между электродами 10 мм.
Рис. 4-1. Пробивные напряжения воздушных промежутков шар- шар (1,2), шар—плоскость (3), стержень—стержень (5,8), стержень—плоскость (4,6,7) при частоте 50 Гц (1,4), 150 кГц (2,3,4,6), 1500 кГц (7,8)
В промежутках стержень—стержень и стержень—плоскость, разрядные характеристики которых также представлены на рис. 4-1, высокочастотные пробивные напряжения много меньше, чем при промышленной частоте.
Остальные промежутки можно разбить на несколько следующих групп.
К первой группе относятся промежутки, образованные электродами, имеющими одинаковые, либо близкие по значению радиусы кривизны. К таким относятся промежутки, образованные цилиндрами различных диаметров со взаимоперпендикулярными и параллельными осями. Для таких промежутков вплоть до расстояния между электродами 20 мм для цилиндров всех диаметров пробивные напряжения в рассматриваемом диапазоне частот не отличаются друг от друга. При больших значениях воздушного зазора пробивные напряжения несколько возрастают с увеличением диаметров цилиндров. На рис. 4-2 показаны зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами для одинаковых цилиндров диаметром 20 и 70 мм. Для цилиндров с промежуточными значениями диаметров пробивные напряжения проходят между кривыми 3 и 4 (рис. 4-2). При расстоянии между электродами 28 мм пробивные напряжения для цилиндров с перпендикулярными осями приведены в табл. 4-1.
Таблица 4-1
Пробивные напряжения воздушных промежутков между цилиндрами одинаковых диаметров с перпендикулярными осями при частоте 150 кГц
Кроме измерений в промежутках, образованных цилиндрами одинаковых диаметров, были проведены измерения пробивных напряжений в промежутках с цилиндрами разных диаметров. Наименьшим пробивным напряжением обладает промежуток, в котором электрод, находящийся под высоким потенциалом, имеет наименьший диаметр, а заземленный — наибольший. Результаты измерений для такого промежутка представлены на рис. 4-2, кривая 5. На рис. 4-2 приведены также значения пробивных напряжений промежутков между цилиндрами одинаковых диаметров 20 и 70 мм при 50 Гц. Снижение пробивного напряжения при увеличении частоты до 150 кГц не превышает 10—12%.
Рис. 4-2. Пробивные напряжения воздушных промежутков между цилиндрами с взаимоперпендикулярными осями; диаметры цилиндров 70 мм - (73), 20 мм — (2,4), 20 и 70 мм - (5)
Вторую большую группу промежутков объединяет τσ, что одним из электродов является либо пластина с минимальным радиусом закругления кромок 5 мм, либо диск с таким же минимальным радиусом закругления кромки, вторым электродом является цилиндр диаметром 20—70 мм. Результаты измерения пробивных напряжений в этих промежутках представлены на рис. 4-3. Измерения проводились при различных комбинациях — высокое напряжение подавалось на один или другой электрод промежутка. При всем внешнем отличии этих промежутков их пробивные напряжения достаточно близки друг к другу. При расстоянии между электродами 40 мм разница между наибольшим и наименьшим значениями пробивного напряжения составляет всего 10%. Увеличение радиуса кривизны заземленного электрода приводит к снижению пробивного напряжения.
Для сравнения на рис. 4-3 представлены значения пробивных напряжений, измеренные при f=50 Гц для промежутка, образованного шиной шириной 150 мм и толщиной 10 мм и диском диаметром 300 мм и толщиной 10 мм. Сопоставление результатов показывает, что пробивное напряжение при 150 кГц меньше, чем при 50 Гц на 10—12%, так же как и для промежутков, относящихся к первой группе.
Пробивные напряжения защитных промежутков конус—конус и конус—плоскость, которые представляют третью группу, приведены на рис. 4-4. Прочность промежутка конус—конус близка к прочности промежутка между цилиндрами, а прочность промежутка конус-плоскость значительно меньше. Увеличение частоты с 50 Гц до 150 кГц приводит к снижению пробивных напряжений не более чем на 12%.
Зависимости пробивных напряжений в воздушном промежутке между коаксиальными цилиндрами (четвертая группа) от радиуса внутреннего цилиндра построены на рис. 4-5. Там же построена аналогичная зависимость, полученная при напряжении промышленной частоты (1]. Как следует из рис. 4-5, с ростом частоты характер зависимости сохраняется, и так же как и в других промежутках, наблюдается снижение пробивных напряжений.
Зависимости рис. 4-1—4-4 показывают, что при частоте 150 кГц по сравнению с 50 Гц пробивное напряжение уменьшается на 10— 12%. Кроме того, электрическая прочность воздушных промежутков, образованных разными по форме электродами, но имеющими одинаковые радиусы кривизны, мало отличается между собой (рис. 4-3). Наименьшей электрической прочностью обладают промежутки, у которых радиусы кривизны заземленных электродов больше радиусов кривизны электродов, на которые подается высокое напряжение (рис. 4-2 и 4-3).
На рис. 4-6 приведены пробивные напряжения промежутков шина-плоскость при горизонтальном и вертикальном расположении шины, а на рис. 4-7 — пробивные напряжения промежутков вертикальная шина—плоскость и провод—плоскость. Радиус провода соответствует минимальному радиусу закругления кромки шины. Наименьшую электрическую прочность среди рассмотренных промежутков имеет промежуток провод—плоскость.
Как следует из зависимостей рис. 4-6 и 4-7, наименьшей электрической прочностью при одинаковых минимальных радиусах закругления электродов, образующих разрядные промежутки, обладают промежутки провод—провод (цилиндр—цилиндр). В том случае, если радиус кривизны заземленного электрода во много раз превосходит радиус кривизны высоковольтного электрода, наименьшей электрической прочностью обладает промежуток провод- плоскость (цилиндр—плоскость). Прочность других промежутков может быть оценена по прочности указанных промежутков с небольшим запасом.
Рис. 4-6. Пробивные напряжения воздушного промежутка шина—плоскость при частоте 150 кГц; о — вертикальная шина, х — горизонтальная
Пробивные напряжения между одинаковыми цилиндрами диаметром 20 и 70 мм с перпендикулярными осями при частоте 1500 кГц приведены на рис. 4-8. Там же приведены пробивные напряжения этих промежутков при 150 кГц. Наблюдается очень небольшое различие в пробивных напряжениях этих промежутков на указанных частотах. Пробивные напряжения воздушных промежутков, таких как провод—плоскость, защитные промежутки конус—конус и конус—плоскость, стержень—стержень и стержень—плоскость при частоте 1500 кГц приведены соответственно на рис. 4-1, 4-4, 4-7.
Сопоставление пробивных напряжений на частотах 150 и 1500 кГц показывает, что наибольшее различие имеет место у промежутков, поле которых более неоднородно. В табл. 4-2 приведены значения пробивных напряжений для различных систем электродов при расстоянии между электродами 30 мм.
Таблица 4-2
Пробивные напряжения воздушных промежутков различной конфигурации при межэлектродном расстоянии 30 мм и частотах 150 и 1500 кГц
Результаты измерений электрической прочности воздушных промежутков различной формы в сухих условиях для частот 150 и 1500 кГц, приведенные на рис. 4-1, 4-4, 4-5, 4-7, 4-8, сведены в табл. 4-3, которая может быть использована для определения необходимых межэлектродных расстояний воздушных промежутков элементов конструкций, работающих в сухих условиях.
Таблица 4-3
Амплитудные значения средних пробивных напряжений типовых воздушных промежутков, полученные для сухих условий, кВ (числитель) и соответствующие им стандарты распределения, % (знаменатель)
Приведенные выше экспериментальные значения пробивных напряжений были получены при нормальных атмосферных условиях или приведены к ним. Так как отклонения плотности воздуха от единицы, т.е. от нормальных атмосферных условий не превышало 10%, то при пересчете пробивных напряжений принималось, что пробивные (они же начальные для некоронирующих промежутков) напряжения пропорциональны δ. Возможность такого пересчета подтверждается экспериментальной зависимостью начальных напряжений для различных форм электродов от относительной плотности воздуха (рис. 4-9).
Как следует из рис. 4-9, приблизительная пропорциональность Uн значению δ имеет место в достаточно широком диапазоне изменения д. При необходимости более точного учета влияния на Uн можно пользоваться уравнениями (2-6) и (2-7).
