Понятие внешней и внутренней изоляции

Ответ: Изоляция электрических установок разделяется на внешнюю и внутреннюю.

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий электропередачи (ЛЭП), шинами распределительных устройств (РУ), наружными токоведущими частями электрических аппаратов и т.д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет атмосферный воздух. Изолируемые электроды располагаются на определенных расстояниях друг от друга и от земли (или заземленных частей электроустановок) и укрепляются в заданном положении с помощью изоляторов. К внутренней изоляции относится изоляция обмоток трансформаторов и электрических машин, изоляция кабелей, конденсаторов, герметизированная изоляция вводов, изоляция между контактами выключателя в отключенном состоянии, т.е. изоляция герметически изолированная от воздействия окружающей среды корпусом, оболочкой, баком и т.д. Внутренняя изоляция как правило представляет собой комбинацию различных диэлектриков (жидких и твердых, газообразных и твердых). Важной особенностью внешней изоляции является ее способность восстанавливать свою электрическую прочность после устранения причины пробоя.Однако электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий: давления, температуры и влажности воздуха. На электрическую прочность изоляторов наружной установки влияют также загрязнения их поверхности и атмосферные осадки. Особенностью внутренней изоляции электрооборудования является старение, т.е. ухудшение электрических характеристик в процессе эксплуатации. Вследствие диэлектрических потерь изоляция нагревается. Может произойти чрезмерный нагрев изоляции, который приведет к ее тепловому пробою. Под действием частичных разрядов, возникающих в газовых включениях, изоляция разрушается и загрязняется продуктами разложения. Пробой твердой и комбинированной изоляции - явление необратимое, приводящее к выходу из строя электрооборудования. Жидкая и внутренняя газовая изоляция самовосстанавливается, но ее характеристики ухудшаются. Необходимо постоянно контролировать состояние внутренней изоляции в процессе ее эксплуатации, чтобы выявить развивающийся в ней дефекты и предотвратить аварийный отказ электрооборудования. Внешняя изоляция электроустановок: При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков относительно невелика (в однородном поле при межэлектродных расстояниях около 1 см ≤ 30 кВ/см). В большинстве изоляционных конструкций при приложении высокого напряжения создается резконеоднородное электрическое поле. Электрическая прочность в таких полях при расстоянии между электродами 1-2 м составляет приблизительно 5 кВ/см, а при расстояниях 10-20 м снижается до 2, 5-1, 5 кВ/см. В связи с этим габариты воздушных ЛЭП и РУ при увеличении номинального напряжения быстро возрастают. Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энергетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимостью и сравнительной простотой создания изоляции, а также способностью воздушной изоляции полностью восстанавливать электрическую прочность после устранения причины пробоя разрядного промежутка. Для внешней изоляции характерна зависимость электрической прочности от метеорологических условий (давления p, температуры Т, абсолютной влажности Н воздуха, вида и интенсивности атмосферных осадков), а также от состояния поверхностей изоляторов, т.е. количества и свойства загрязнений на них. В связи с этим воздушные изоляционные промежутки выбирают так, чтобы они имели требуемую электрическую прочность при неблагоприятных сочетаниях давления, температуры и влажности воздуха.

Электрическую прочность вдоль изоляторов наружной установки измеряют в условиях, соответствующих разным механизмам разрядных процессов, а именно, когда поверхности изоляторов чистые и сухие, чистые и смачиваются дождем, загрязнены и увлажнены. Разрядные напряжения, измеренные при указанных состояниях, называю соответственно сухоразрядными, мокроразрядными и грязе- или влагоразрядными. Основной диэлектрик внешней изоляции - атмосферный воздух - не подвержен старению, т.е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменными во времени. Регулирование электрических полей во внешней изоляции:

При резконеоднородных полях во внешней изоляции возможен коронный разряд у электродов с малым радиусом кривизны. Появление короны вызывает дополнительные потери энергии и интенсивные радиопомехи. В связи с этим большое значение имеют меры по уменьшению степени неоднородности электрических полей, которые позволяют ограничить возможность возникновения короны, а также несколько увеличить разрядные напряжения внешней изоляции. Регулирование электрических полей во внешней изоляции осуществляется с помощью экранов на арматуре изоляторов, которые увеличивают радиус кривизны электродов, что и повышает разрядные напряжения воздушных промежутков. На воздушных ЛЭП высоких классов напряжений используются расщепленные провода. Внутренняя изоляция электроустановок: Внутренней изоляцией называются части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или газообразные диэлектрики или их комбинации, не имеющие прямых контактов с атмосферным воздухом. Целесообразность или необходимость применения внутренней изоляции, а не окружающего нас воздуха обусловлена рядом причин. Во-первых, материалы для внутренней изоляции обладают значительно более высокой электрической прочностью (в 5-10 раз и более), что позволяет резко сократить изоляционные расстояния между проводниками и уменьшить габариты оборудования. Это важно с экономической точки зрения. Во-вторых, отдельные элементы внутренней изоляции выполняют функцию механического крепления проводников, жидкие диэлектрики в ряде случает значительно улучшают условия охлаждения всей конструкции. Элементы внутренней изоляции в высоковольтных конструкциях в процессе эксплуатации подвергаются сильным электрическим, тепловым и механическим воздействиям. Под влиянием этих воздействий диэлектрические свойства изоляции ухудшаются, изоляция “стареет” и утрачивает свою электрическую прочность. Механические нагрузки опасны для внутренней изоляции тем, что в твердых диэлектриках, входящих в ее состав, могут появиться микротрещины, в которых затем под действие сильного электрического поля возникнут частичные разряды и ускорится старение изоляции. Особая форма внешнего воздействия на внутреннюю изоляцию обусловлена контактами с окружающей средой и возможностью загрязнения и увлажнения изоляции при нарушении герметичности установки. Увлажнение изоляции ведет к резкому уменьшению сопротивления утечки и росту диэлектрических потерь.Внутренняя изоляция должна обладать более высоким уровнем электрической прочности, чем внешняя изоляция, т.е. таким уровнем, при котором пробой полностью исключаются в течение всего срока службы. Необратимость повреждения внутренней изоляции сильно осложняет накопление экспериментальных данных для новых видов внутренней изоляции и для вновь разрабатываемых крупных изоляционных конструкций оборудования высокого и сверхвысокого напряжения. Ведь каждый экземпляр крупной дорогостоящей изоляции можно испытать на пробой только один раз.

Диэлектрические материалы должны также: обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. должны быть пригодными для высокопроизводительных процессов изготовления внутренней изоляции; удовлетворять экологическим требованиям, т.е. не должны содержать или образовывать в процессе эксплуатации токсичные продукты, а после отработки всего ресурса они должны поддаваться переработке или уничтожению без загрязнения окружающей среды; не быть дефицитными и иметь такую стоимость, при которой изоляционная конструкция получается экономически целесообразной. В ряде случаев к указанным выше требованиям могут добавляться и другие, обусловленные спецификой того или иного вида оборудования. Например материалы для силовых конденсаторов должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость, материалы для камер выключателей - высокую стойкость к термоударам и воздействиям электрической дуги. Длительная практика создания и эксплуатации различного высоковольтного оборудования показывает, что во многих случаях весь комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется при использовании в составе внутренней изоляции комбинации из нескольких материалов, дополняющих друг друга и выполняющих несколько различные функции. Так, только твердые диэлектрические материалы обеспечивают механическую прочность изоляционной конструкции. Обычно они имеют и наиболее высокую электрическую прочность. Детали из твердого диэлектрика, обладающего высокой механической прочностью, могут выполнять функцию механического крепления проводников. Использование жидких диэлектриков позволяет в ряде случаев значительно улучшить условия охлаждения за счет естественной или принудительной циркуляции изоляционной жидкости.

Координация изоляции

Ответ: Координация изоляции — это согласование уровня изоляции (электрической прочности изоляции) электрооборудования с напряжениями, которые могут возникать на его зажимах в эксплуатации. При этом согласовании следует учитывать расходы на мероприятия по ограничению перенапряжений до того или иного уровня, зависимость стоимости электрооборудования от уровня его изоляции, убытки, вызываемые перерывами в электроснабжении или повреждением электрооборудования и т.д. В идеале координация изоляции должна основываться на всесторонних данных о воздействующих на электрооборудование перенапряжениях, электрической прочности изоляции и экономических факторах с учетом статистического характера распределения перенапряжений и выдерживаемого изоляцией напряжения. Практически одна сторона проблемы координации изоляции заключается в анализе факторов и условий, от которых зависят перенапряжения на зажимах электрооборудования, в выборе определенных условий в качестве основы для стандартизации уровней изоляции, в нормировании этих уровней — испытательных напряжений электрооборудования. Другая сторона проблемы — решение вопросов, возникающих в тех случаях, когда имеют место случаи воздействия перенапряжений, отличных от принятых для стандартизации. Задача заключается в изыскании дополнительных средств ограничения перенапряжений до уровня, допустимого для стандартизованных испытательных напряжений электрооборудования. Для защиты от коммутационных перенапряжений и волн атмосферных перенапряжений, набегающих с ВЛ, на ПС необходимо проведение соответствующих расчетов и определения технических требований к ОПН. Требования надежного электроснабжения потребителей определяют необходимость исследования режимов работы электрических систем, приводящих к повреждению электрооборудования, с целью разработки мероприятий по их предотвращению и ликвидации. Одной из причин возникновения таких режимов являются феррорезонансные явления. Феррорезонансные явления возникают в результате взаимодействия нелинейных индуктивностей намагничивания магнитопроводов трансформаторов с емкостями электрооборудования электрических систем. Они появляются в электрических сетях при оперативных переключениях, неполнофазных включениях и перемежающихся дуговых замыканиях на землю. При протекании феррорезонансных явлений возникают длительные перенапряжения на шинах распределительных устройств, опасные для разрядников и ограничителей перенапряжений, и токовые перегрузки обмоток электромагнитных трансформаторов, под действием которых повреждается изоляция и образуются межвитковые замыкания. Это приводит к взрывам трансформаторов и пожарам в распределительных устройствах электрических станций и подстанций. Для разработки обоснованных технических решений по предотвращению феррорезонансных перенапряжений, в том числе при неполнофазных режимах, и высокочастотных коммутационных перенапряжений, на ПС необходимо провести расчеты возможности возникновения феррорезонанса. При проектировании новых или реконструкции существующих воздушных линий 110-750 кВ возникает необходимость в проведение расчетов по определению резонансной частоты рядом следующей ВЛ (оборудованной компенсирующими устройствами, например, шунтирующими реакторами) для защиты первичного оборудования и персонала от резонансных перенапряжений, а также наведенного напряжения. Наша компания готова предоставить свои услуги по расчету перенапряжений в сетях любого класса напряжений, возникающих при коммутационных операциях, аварийных режимах и молниевых разрядах, с целью определения требований к техническим характеристикам ОПН; расчеты возможности возникновения феррорезонанса, а также проверке возможности развития резонансных перенапряжений с учетом необходимого именно Вам объема работ, Ваших пожеланий и с соблюдением требований всех нормативных документов в короткие сроки и по приемлемым ценам. Обращаем Ваше внимание на то, что совместно с работами по координации изоляции и расчету возможности возникновения феррорезонанса часто выполнятся работы по экспериментально-расчетному определению ЭМО, проектированию систем заземления и молниезащиты, в том числе активной молниезащиты, повышению грозоупорности ВЛ и ПС, определению параметров качества электропитания, измерению сопротивления изоляции электрических аппаратов и вторичных цепей, замеру сопротивления петли «фаза-нуль» и тепловизионному контролю.

Физическое состояние газов

Ответ: Основными параметрами, определяющими состояние газа, являются давление, температура и плотность или удельный объем. Давление газа p обусловлено суммой сил ударов беспорядочно движущихся молекул газа о стенки сосуда, занятого этим газом, и численно равно величине нормальной составляющей силы, действующей на единицу поверхности, с которой соприкасается газ. p = F/f (II.1) Здесь F - нормальная составляющая силы; f - площадь, на которую действует сила. Основными единицами измерения давления являются: в системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) - килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м²); в Международной системе единиц СИ - ньютон на квадратный метр (н/м²). Под ньютоном понимается сила, сообщающая находящейся в состоянии покоя массе в 1 кг ускорение 1 м/сек², т. е. 1 н = 1 кг ∙ 1 м/сек². В практике газоснабжения часто применяются внесистемные единицы измерения давления: килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²), миллиметр водяного столба (мм вод. ст.), миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). 1 кгс/см² = 10000 кгс/м² = 10000 мм вод. ст. = 735, 56 мм рт. ст. = 98066, 5 н/м². Воздух земной атмосферы своей массой оказывает на поверхность Земли и окружающие предметы давление, называемое атмосферным, или барометрическим. Величина его в значительной мере зависит от высоты места измерения и температуры воздуха. На уровне моря при температуре 0 ˚ C барометрическое давление равно 760 мм рт. ст. Такое давление называют нормальным атмосферным давлением. 760 мм рт. ст. = 10330 мм вод. ст. = 1, 033 кгс/см².

Виды ионизации газов

Ответ: Ударная ионизация в газе, характеризуемая коэффициентом ионизации α, является в электрическом поле основным поставщиком свободных электронов. Вместе с тем на условия развития разряда могут оказывать влияние и даже стать определяющими и другие механизмы ионизации молекул и атомов. К их числу относятся фотоионизация и термоионизация. Источником ионизирующего излучения может быть внешнее излучение, но таким источником может быть и сам газовый разряд, в котором фотоны образуются при возвращении в исходное состояние возбужденных атомов и молекул. Возникающие фотоны поглощаются газом, причем механизм фотопоглощения чрезвычайно разнообразен и зависит от энергии фотона и структуры молекулы. Наибольшее практическое значение для развития разряда имеет поглощение фотона с последующей ионизацией молекулы — фотоионизация. Для осуществления фотоионизации нужно, чтобы энергия фотона hν ≥ W_и. Молекулярные газы для фотоионизации требуют ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. При ультрафиолетовом излучении атом ионизуется путем выбивания одного из самых внешних электронов. Рентгеновское излучение взаимодействует преимущественно с более сильно связанными внутренними электронами. Если в газе имеются молекулы разных сортов, отличающиеся разными значениями энергий ионизации и возбуждения, и если энергия электронного возбуждения одних молекул больше энергии ионизации других, то при девозбуждении молекул одного сорта может происходить фотоионизация молекул другого сорта, что имеет место, например, в воздухе при развитии разряда. При повышении температуры газа до нескольких тысяч градусов возможно осуществление целого ряда реакций, в результате которых образуются положительные ионы и электроны. При высокой температуре за счет большой кинетической энергии частиц возможны неупругие столкновения между собой нейтральных молекул, которые приводят к возбуждению и диссоциации сталкивающихся частиц. В последнем случае молекула распадается на составляющие ее атомы или группы атомов, причем продукты диссоциации, обладающие чаще всего более низкими энергиями ионизации, чем сложная молекула, претерпевают ионизацию при последующих столкновениях. В смесях газов, таких как воздух, при возвращении термически возбужденных молекул одного сорта (азота) в основное состояние происходит излучение с последующим поглощением фотонов молекулами другого сорта (кислорода), в результате чего также может быть ионизация. Таким образом под термической ионизацией понимается целая совокупность процессов, приводящих к ионизации при высокой температуре газа. Интенсивность термической ионизации характеризуют степенью ионизации m, равной отношению числа (концентрации) ионизованных частиц в единице объема газа n_и к числу (концентрации) всех частиц в единице объема — n, так что m = n_и/n. Если газ находится в условиях теплового равновесия, когда средняя тепловая энергия частиц разного сорта (нейтральных молекул, электронов, ионов) одинакова, то для определения степени ионизации m по известной температуре Т можно пользоваться уравнением Саха:
p[m²/(1-m²)] = AT^{2, 5}exp(W_и/kT), где р — давление газа, мм рт.ст.; W_и — энергия ионизации газа, эВ; k — постоянная Больцмана, эВ/К; постоянная А = 2, 4× 10^-4. Обычно даже при температурах порядка 10000 К степень ионизации газа еще очень мала и не превышает 0, 1.

Образование отрицательных ионов и рекомбинация заряженных частиц

Ответ: При достаточно низких температурах в продуктах сгорания возможно образование отрицательных ионов за счет процесса " прилипания" свободного электрона к нейтральному атому или молекуле. Химическое уравнение этой реакции будет (1.59) где а- – отрицательный ион; I- – энергия сродства к электрону. Тогда уравнение закона действия масс примет вид (1.60). Формула Саха для отрицательных ионов будет выглядеть следующим образом: (1.61). Образование значительных количеств отрицательных ионов вследствие процесса " прилипания" возможно, если в продуктах сгорания наряду с частицами, обладающими большим сродством к электрону присутствуют другие частицы, которые легко ионизируются и таким образом поставляют необходимые электроны. Действительно, согласно формуле (1.61), чтобы отношение са-/са было большим, должно быть велико се-, а Т – мала. Сродство к электрону некоторых атомов, молекул и радикалов представлено в табл. 1.8. Таблица 1.8 Энергия сродства I частиц к электрону

Частица	I-, эВ	Метод определения
Н	0, 747	Квантовомеханический расчет
Li	0, 82	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
Вe	-0, 19	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
В	0, 33	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
С	2, 1 ± 0, 9	Сопоставление различных данных
1, 12 ±0, 06	Термохимический расчет
1, 24	Экстраполяция но изоэлектронным сериям
N	0, 05	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
О	1, 465 ±0, 005	Фотоотрыв электрона
1, 47	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
F	3, 58 ±0, 01	Поверхностная ионизация
3, 50	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
Na	0, 84	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
Mg	-0, 32	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
AI	0, 52	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
Cl	3, 76 ± 0, 05	Поверхностная ионизация
3, 70	Экстраполяция по изоэлектронным сериям
К	0, 82	Квантовомеханический расчет
Вr	3, 54 ± 0, 06	Сопоставление различных данных
3, 56 ± 0, 05	Поверхностная ионизация
H2	-0, 72	Квантовомеханический расчет
CH	-1, 65	Электронный удар
СН4	-0, 95	Электронный удар
С2	3, 1	Электронный удар
С2H4	-1, 81	Квантовомеханический расчет
OH	2, 65	Определение концентрации электронов пламени
1, 73	Сопоставление различных данных
H2O	-0, 9	Приблизительная оценка
O2	0, 87 ± 0, 13	Сопоставление различных данных
ClO4	5, 82	Расчет по энергии решетки
NO2	1, 62	Расчет по энергии решетки

Роль конденсированных частиц: В ряде работ экспериментально установлена аномально высокая ионизация пламен углеродсодержащих систем, которая не может быть объяснена с помощью формулы Саха, так как потенциалы ионизации газообразных продуктов сгорания достаточно высоки, а температуры пламен таких систем довольно низкие (1500–2000 К). В работе [11, с. 729-736] доказано, что аномально высокая ионизация, наблюдаемая в продуктах сгорания, может быть объяснена термоэмиссией электронов поверхности конденсированных (в частности, углеродных) частиц, которая сильно может влиять на электрические свойства пламен. Формула Саха может быть обобщена на случай процессов ионизации и захвата электронов конденсированными частицами Р, т.е. процессов типа (1.62) где т – целые числа, выражающие заряд конденсированной частицы в единицах заряда электрона; причем т > 0 обозначает положительный заряд, т = 0 соответствует нейтральным частицам, а т < 0 – частицам с отрицательным зарядом. Согласно материалам 12 Международного симпозиума по горению (Питтсбург, 1969) равновесная концентрация электронов, получаемая в результате многократной ионизации субмикроскопических твердых образований типа углеродных частиц в пламенах, равна

где j0 – работа выхода электрона, зависящая от вещества конденсированной частицы; r – радиус частиц; ср – концентрация частиц Р; ze – заряд электрона. С помощью формулы можно оценить влияние конденсированной фазы на электрофизические характеристики пламен. Она справедлива при высоких степенях ионизации конденсированных частиц. Интересно отметить, что потенциал ионизации атомов углерода – 11, 256 эВ, а работа выхода электрона из графитовых частиц – всего -4 эВ, т.е. в некоторых системах конденсированная фаза продуктов сгорания может более эффективно поставлять свободные электроны, чем газовая фаза. Расчет концентрации электронов в пламенах при наличии конденсированных частиц осложняется недостаточной информацией о работах выхода электрона, концентрациях и функциях распределения конденсированных частиц по размерам.

Рекомбинация заряженных частиц определяет ионный состав, степень ионизации и характер распада низкотемпературной плазмы. Процессы такого рода имеют огромную важность в атмосфере, газоразрядной плазме, молекулярных лазерах, лампах высокого давления, плазмохимических технологиях и пр. Превалирующий химический механизм рекомбинации определется температурой и давлением в плазме и ее ионным составом. Эксперты компании Кинтех Лаб, основываясь на многолетнем опыте исследований в области низкотемпературной плазмы, разработали эффективные методики определения констант скоростей рекомбинации заряженных частиц. Константы скоростей взаимной ион-ионной нейтрализации в парных столкновениях рассчитываются на основе модифицированной теории Ландау-Зенера. Константы скоростей ион-ионной нейтрализации в трехчастичных столкновениях рассчитываются с использованием упрощенного подхода, основанного на временной иерархии различных стадий этого процесса. Подобный подход также используется при расчетах трехчастичной электрон-ионной рекомбинации. Расчеты коэффициента диссоциативной рекомбинации проводятся с использованием результатов квантово-химических расчетов параметров (ширин и энергий) авто-ионизованных состояний возбужденной квази-молекулы, участвующей в этом процесе.

· Нейтрализация ионов в парных столкновениях

· Нейтрализация ионов в тройных столкновениях

· Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона

· Трехчастичная электрон-ионная рекомбинация

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒