Меню

Ток при пробое воздуха

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ВОЗДУШНОГО ПРОМЕЖУТКА

В равномерном электрическом поле (например, между обкладками плоского конденсатора) электрическая прочность воздушного промежутка равна 3-4 кВ/мм в зависимости от влажности воздуха.

То есть электрический пробой воздушного промежутка размером 1 мм происходит при напряжении 3-4 кВ между обкладками конденсатора.

Когда человек той или иной частью тела приближается к высоковольтной токоведущей части, в воздушном зазоре также формируется электрическое поле, но это поле неравномерное, типа игла-плоскость либо игла-линия. Электрическая прочность воздушного промежутка в неравномерном поле существенно ниже, она может уменьшаться до значения 4 кВ/см.

Например:

Пусть человек проник в трансформаторную будку 6/0,38 кВ и приблизил палец к токоведущей части, находящейся под потенциалом 6 кВ.

Потенциал тела человека равен потенциалу земли (ноль), поэтому разность потенциалов в воздушном зазоре «палец — токоведущая часть» составляет 6 кВ. При таком напряжении происходит электрический пробой воздушного промежутка и формируется дуговой разряд.

При неблагоприятных условиях, когда цепь тока не прерывается, термическую травму завершает биологическое поражение током.

При дуговом разряде (ожоге дугой) разрушаются кожные покровы, мышечная и костная ткани.

Защита людей от опасности рассматриваемого режима достигается путем обеспечения недоступности токоведущих частей оборудования.

На слайде представлена таблица из Правил по охране труда при эксплуатации электроустановок, в которой указываются допустимые расстояния до токоведущих частей электроустановок, находящихся под напряжением.

Ещё одна электрическая опасность – это удар молнии в электроустановку или вблизи неё. Защита от этого природного явления представляет собой комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений, включающий в себя устройства защиты от прямых ударов молнии [внешняя молниезащитная система (МЗС)] и устройства защиты от вторичных воздействий молнии.

Слайд 10

Таким образом, для того чтобы обеспечить защиту людей от опасного и вредного воздействия на человека электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества применяется целая система организационных и технических мероприятий и средств, которая называется электробезопасностью.

Требования электробезопасности регламентированы различными Правилами. Учет условий электробезопасности на стадии проектирования объектов регламентируют Правила устройства электроустановок.

Это, наверное, один из главных документов, действующих в настоящее время и определяющих основные критерии устройства и безопасного использования электроустановок в России.

Сейчас в России действует седьмая редакция, вступившая в силу 1 января 2003 года. ПУЭ распространяются на вновь сооружаемые и реконструируемые электроустановки (ЭУ) постоянного и переменного тока напряжением до 750 кВ, в том числе и на некоторые специальные установки, рассмотренные в разделе 7.

ПУЭ обязательны к соблюдению юридическими лицами, индивидуальными предпринимателями и даже физическими лицами. Надзор за их надлежащим исполнением возложен на Ростехнадзор.

Требования Правил рекомендуется применять для действующих ЭУ, если это повышает надежность ЭУ или если её модернизация направлена на обеспечение требований безопасности.

В период эксплуатации ЭУ электробезопасность регламентируют Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей ПТЭЭТ-2003, Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок, вступившие в действие 4 августа 2014 года, Инструкция по применению и испытанию средств защиты, используемых в электроустановках.

Электроустановки, так же, как и другие технические устройства в процессе их создания проходят стадии проектирования, монтажа, наладки, эксплуатации.

Если на стадии проектирования электроустановки документация согласовывается с органами государственного надзора, требующими строго соблюдения всех Правил и действующих технических циркуляров, то в период эксплуатации многое зависит непосредственно от конкретных лиц, организующих и выполняющих работу в электроустановках.

Слайд 11

Сейчас мы рассмотрим ещё несколько терминов, используемых в выше названных правилах:

Электроприемник – аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии.

Под электроприемниками подразумеваем:

— электродвигатели силовых и общепромышленных установок;

— электродвигатели производственных станков;

— выпрямительные и преобразовательные установки.

Слайд 12

Электрооборудование – совокупность электрических устройств объединенных общими признаками.

Признаками объединения в зависимости от задач могут быть:

— технологическое — например, сварочное оборудование;

— условия применения — например, оборудование для тропического климата или умеренного климата;

— принадлежность объекту — например, электрообордование станка, цеха.

Слайд 13

Для электрооборудования с напряжением не выше 72,5 кВ стандартами устанавливается степень защиты, обеспечиваемая оболочками. Степень защиты обозначают символом IPХХ. Начальные буквы – International Protection, первая цифра – характеристика защиты персонала от соприкосновения с находящимися под напряжением частями или приближения к ним и от соприкосновения с движущимися частями, расположенными внутри оболочки, и попадания внутрь твердых посторонних тел; вторая цифра – характеристика защиты от проникновения воды.

Слайд 14

Электроустановкой называют совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии.

Приведу примеры электроустановок: электрическая станция, электрическое распределительное устройство, электрическая сеть любого вида – силовая, осветительная, питающая, распределительная и т.д., трансформаторная подстанция, распределительное устройство и т.д., на слайдах представлены: электрическая подстанция, конденсаторная установка, индукционная установка (индукционная литейная вакуумная установка стоматологическая для литья зубных протезов), а также линия электропередачи, распределительная подстанция.

Электроустановки бывают открытыми (наружными) –не защищенные зданием от атмосферных воздействий, закрытыми (внутренними) – размещенные внутри здания.

Слайд 15

При этом, если электроустановка или ее часть, находятся под напряжением, либо на которые напряжение может быть подано включением коммутационных аппаратов, то такие электроустановки называются – действующими электроустановками.

Слайд 16

Эксплуатацию электроустановок должен осуществлять

Квалифицированный обслуживающий персонал — специально подготовленные работники, прошедшие проверку знаний в объеме, обязательном для данной работы (должности), и имеющие группу по электробезопасности, предусмотренную действующими правилами охраны труда при эксплуатации электроустановок.

Слайд 17

Помещения или отгороженные (например, сетками) части помещения, в которых расположено электрооборудование, доступное только для квалифицированного обслуживающего персонала. — называются ЭЛЕКТРОПОМЕЩЕНИЯМИ.

Слайд 18

При классификации защитных мер в ПУЭ используется следующая терминология.

Проводящие части, т.е. части, обладающие свойствами проводить электрический ток, которые подразделяются следующим образом:

ТВЧ – проводящая часть электроустановки, находящаяся в процессе её работы под рабочим напряжением, в том числе нулевой рабочий проводник;

ОПЧ – доступная прикосновению проводящая часть электроустановки, нормально не находящаяся под напряжением, но которая может оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции;

СПЧ – проводящая часть, не являющаяся частью электроустановки.

Современная концепция электробезопасности по ГОСТ Р 50571 основана на том, что опасные токоведущие части электроустановки не должны быть доступны для непреднамеренного прямого прикосновения к ним, а доступные прикосновению открытые проводящие части (ОПЧ), сторонние проводящие части (СПЧ), защитные и заземляющие проводники (РЕ-проводники), а также ОПЧ цепей обратного тока, включая РЕN-проводники, не должны быть опасны при прямом прикосновении к ним при нормальном режиме работы и при повреждении изоляции токоведущих частей.

Слайд 19

На слайде наглядно представлены примеры проводящих частей.

Слайд 20

Задание. Укажите ПЧ: ТВЧ, ОПЧ и СПЧ.

Слайд 21

Выбор тех или иных защитных мер от поражения людей от электрического тока определяется: напряжением, режимом нейтрали (общая точка соединенных в звезду обмоток), категорией помещения, выполняемой работой, квалификацией персонала.

(а также пороговым значением тока, временем его протекания, допустимыми значениями напряжения прикосновения и шага).

Рассмотрим для начала классификацию окружающей среды и помещений, в которых располагаются электроустановки.

В основу классификации помещений и территорий по опасности электропоражения положены условия, создающие опасность, поэтому различают:

Ò Сухие — помещения, в которых относительная влажность воздуха не превышает 60 %.

Ò Влажные — влажность воздуха более 60 %, но не превышает 75 %.

Ò Сырые — влажность воздуха превышает 75 %.

Ò Особо сырые— относительная влажность воздуха близка к 100 % (потолок, стены, пол и предметы, находящиеся в помещении, покрыты влагой).

Ò Жаркие — температура воздуха постоянно или периодически (более 1 суток) превышает +35 °С.

Ò Пыльные — по условиям производства выделяется технологическая пыль:

ü пыльные помещения с токопроводящей пылью,

ü пыльные помещения с нетокопроводящей пылью.

Ò Помещения с химически активной или органической средой — постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образуются отложения или плесень.

Слайд 22

По степени опасности поражения электрическим током помещения подразделяются на три категории:

Помещения без повышенной опасности — отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность;

Помещения с повышенной опасностью — наличием одного из следующих условий, создающих повышенную опасность:

§ токопроводящие полы (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т.п.);

§ возможность одновременного прикосновения человека к металлоконструкциям зданий, имеющим соединение с землей, технологическим аппаратам, (СПЧ), с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования (ОПЧ) — с другой.

В помещениях с повышенной опасностью, прежде всего, снижается сопротивление цепи человека. При высокой температуре, вследствие увеличения потоотделения или при увеличении влажности снижается сопротивление тела человека и его обуви. При наличии токопроводящих полов уменьшается и практически становится равным нулю сопротивление основания, на котором стоит человек. Если в таких условиях человек прикоснется к неисправной электроустановке, то через него будет протекать ток.

Слайд 23

Особо опасные помещения — наличие одного из следующих условий, создающих особую опасность:

-химически активная или органическая среда;

-одновременно два или более условий повышенной опасности.

Например: при 100% влажности и повреждении рабочей изоляции велика вероятность возникновения коротких замыканий, появления фазного напряжения на токоведущих частях ЭУ.

Территория размещения наружных электроустановок (на открытом воздухе, под навесом, за сетчатым ограждением) — приравнивается к особо опасному помещению.

В Правилах по охране труда при эксплуатации ЭУ в отдельную группу выделяют работы при наличии особо неблагоприятных условий, когда опасность поражения электрическим током усугубляется теснотой, неудобным положением работающего, ограниченной возможностью перемещения, соприкосновением с большими металлическими, хорошо заземленными поверхностями (например, работа в металлических ёмкостях, колодцах, тоннелях, котлах и т.д.). При особо неблагоприятных условиях цепь тока может возникнуть не только через руки, но и другие части тела (голову, плечо, туловище).

Опасность электропоражения, а значит, и требования безопасности в этих условиях выше, чем в особо опасных помещениях.

Поэтому выбирая меры безопасности, при организации работ в электроустановках обязательно учитываются характеристики помещения.

Условия производства работ предъявляют определенные требования к питанию таких потребителей, как электроинструмент, светильники местного освещения, переносные светильники.

В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных они должны питаться от напряжения не более 50 В, в особо неблагоприятных условиях — не более 12 В

Слайд 24

Задача 1. К какому помещению в отношении опасности поражения электрическим током относится аудитория, в которой вы находитесь?

Задача 2. В производственном помещении с земляным полом и влажностью воздуха 78% установлено электрооборудование напряжением 380 В.

Выделите условия создающие опасность и определите, каким в отношении опасности поражения электрическим током является производственное помещение.

Задача 3. К каким помещениям в отношении опасности поражения людей электрическим током приравнивается ОРУ.

Задача 4. Какое напряжение должен иметь переносной светильник при работах в барабанном котле (или в металлическом резервуаре)? (12 В)

Слайд 25

В основу классификации электроустановок по мерам электробезопасности положено номинальное напряжение ЭУ и режим её нейтрали.

Классификация дается в ПУЭ -7, гл. 1.7. Различают электрустановки по напряжению: до 1000 В и выше 1000В.

По режиму работы нейтрали электроустановки бывают:

Читайте также:  Трансформатор тока та 400 circutor

ЭУ до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью.

ЭУ до 1 кВ с изолированной нейтралью

ЭУ выше 1 кВ с эффективно заземленной или глухозаземленной нейтралью (см. 1.2.16),

ЭУ выше 1 кВ с изолированной нейтралью или компенсированной нейтралью (заземленной через дугогасящий реактор или резистор).

Зануление применяется лишь в одной из перечисленных групп — в электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью. В остальных группах электроустановок применяется защитное заземление.

Защитное заземление — заземление, выполняемое в целях электробезопасности.

Защитное зануление в ЭУ напряжением до 1 кВ – преднамеренное соединение ОПЧ с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глхозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Рабочее (функциональное) заземление — заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности).

Слайд 26

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОЗДУХА ПРИ

ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ

Электрическая прочность Епр — основная характеристика любого вида изоляции

где Uпр — напряжение, при котором происходит пробой, а — толщина изоляции.

ПРОБОЙ ОДНОРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА

В равномерном электрическом поле формирование пробоя воздуха при постепенном повышении постоянного напряжения проходит следующие стадии.

1. Дрейф под действием сил электрического поля свободных электронов и ионов, создаваемых посторонними ионизаторами.

2. Образование лавин ударной ионизации.

3. Переход разряда из несамостоятельного в самостоятельный.

4. Образование стримера и лидера.

5. Образование дуги.

При высоких давлениях формирование разряда будет происходить следующим образом: поверхностная ионизация на катоде теряет свое определяющее значение, и основным источником образования вторичных электронов становится фотоиониация в объеме газа. Если напряженность поля достаточно велика, объемный заряд лавин значителен и создает существенное искажение внешнего поля, канал лавины начинает испускать большое количество фотонов еще до того, как положительные ионы начальной лавины уйдут на катод. Образованные этими фотонами вторичные электроны дадут начало новым лавинам, электроны, которых будут притягиваться объемным положительным зарядом, расположенным в головке начальной лавины (рис. 1.3а). В пространстве, заполненном объемными зарядами, средняя напряженность поля невелика, поэтому большее количество проникших туда электронов превращается в отрицательные ионы, и в месте расположения положительного объемного заряда образуется канал, заполненный плазмой – так называемый стример (рис. 1.3б).

Канал стримера является проводящим, поэтому на его конце создается повышенная напряженность поля. Между тем продолжающаяся фото ионизация в объеме приводит к образованию все новых лавин, которые двигаются в направлении наиболее сильного поля, т.е. к головке стримера. Электроны этих лавин уходит в канал стримера, а ионы создают вблизи его головки объемный положительный заряда, который притягивает последующие лавины, превращающие его в плазму (рис. 1.3 б и в). Таким образом, канал стримера постепенно удлиняется. Прорастая к катоду, причем этот процесс идет со все возрастающей скоростью, так как напряженность поля на головке стримера по мере его продвижения вглубь промежутка непрерывно увеличивается. После пересечения стримером всего пространства между электродами пробой можно считать завершенным, т.к. в промежутке образовался сквозной проводящий канал, заполненный плазмой (рис. 1.3г).

Если напряженность поля между электродами увеличить, то достаточное для возникновения фотоиноизации в объеме искажение поля наступает еще до того, как начальная лавина пересечет весь промежуток между электродами (рис. 1.4).

Рис. 1.3 Возникновение и развитие анодного стримера.

1-начальная лавина, 2-вторичные лавины, 3-скопление положительных зарядов на головке стримера, 4-анодный стример

Рис. 1.4 Развитие разряда в однородном

поле при напряжении выше начального.

ПРОБОЙ РЕЗКО НЕОДНОРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА

Когда электроды, на которые подано напряжение, имеют форму стержень-плоскость, поле в промежутке — резко неоднородное. В этом случае пробивное напряжение Uпр будет зависеть и от полярности стержня.

В промежутке игла — плоскость начальная ионизация будет развиваться в области наиболее сильного поля, т.е. около иглы. Возникающий в этой области положительный объемный заряд будет по-разному искажать электрическое поле в зависимости от полярности иглы.

При положительной полярности иглы (рис.1.6,а) появившийся в промежутке электрон, двигаясь к игле и попадая в область сильного поля, производит ударную ионизацию. Электроны, имеющие малую массу и большую скорость движения, быстро уходят к игле, а положительные ионы, оставаясь в пространстве, медленно движутся к противоположному электроду (отрицательной плоскости). Около положительной иглы создается избыточный положительный объемный заряд. Вектор напряженности поля, дополнительно созданный объемным зарядом, сонаправлен с вектором напряженности в основном промежутке и противоположно направлен основному вблизи иглы. В результате напряженность поля вблизи иглы уменьшается и усиливается на некотором удалении от иглы.

Ионизация вблизи иглы ослабляется, затрудняя образование короны. В остальной части промежутка ионизация усиливается. Таким образом, при положительной игле и отрицательной плоскости положительный объемный заряд способствует пробою, что соответствует уменьшению электрической прочности.

При отрицательной полярности иглы (рис.1.6,б) процесс ионизации также начнется вблизи более острого электрода, так как напряженность поля в этой области наибольшая. Электроны попадают в сильное поле, образуя лавины, развивающиеся в сторону плоскости. Они быстро покидают каналы лавин, оставляя позади положительный объемный заряд, усиливающий поле около иглы, что приводит к образованию большого числа лавин. Создается однородный плазменный слой, играющий роль экрана с радиусом кривизны, большим, чем игла. Основной промежуток становится более однородным.

Положительный объемный заряд обладает большой плотностью и искажает поле, приводя к увеличению напряженности поля вблизи иглы, что облегчает образование коронного разряда. В данном случае положительный объемный заряд ускоряет частичный пробой воздуха около иглы (катода), но тормозит пространственное развитие канала пробоя и возникновение полного пробоя промежутка, т.к. напряженность объемного заряда направлена противоположно напряженности основного промежутка.

Ввиду рассмотренных особенностей влияния полярности электродов напряжение полного пробоя промежутка при положительной полярности иглы в 2 — 2,5 раза ниже, чем при отрицательной игле.

Эффект полярности при постоянном напряжении проявляется в изменении величины электрической прочности воздушного промежутка при перемене полярности электродов.

Для формирования объемного заряда требуется время, поэтому чем быстрее повышается напряжение, тем меньше проявляется эффект полярности.

Эффект барьера сводится к изменению электрического поля между электродами, т.к. происходит перераспределение объемного заряда в процессе развития ионизации. В качестве барьера может быть использован тонкий листовой диэлектрик, помещенный между электродами на пути формирования пробоя, (рис.1.7). Собственная электрическая прочность барьера может быть несоизмеримо меньше прочности всего промежутка.

При проведении опытов в лаборатории в качестве барьера используется бумага. Если барьер расположен на некотором расстоянии от иглы, на его поверхности накапливаются заряды того же знака, какой имеет игла. На рис.1.7,А дана картина поля для случая положительной иглы и отрицательной плоскости. Промежуток игла — плоскость с барьером между ними разбивается на два последовательно включенных промежутка: барьер — плоскость со слабо неравномерным полем и игла — барьер с резко неравномерным полем (рис.1.7,А).

Рис. 1.6. Картины поля в промежутке игла-плоскость:

1 — распределение напряженности в поле до появления объёмного заряда; 2 — после его появления

Еоб — электрическое поле, создаваемое объёмным положительным зарядом

а, б — игла (плюс) — плоскость (минус);

в, г — игла (минус) — плоскость (плюс)

Рис. 1.7. Распределение напряженности поля в промежутке между иглой и плоскостью при наличии барьера (1) и при его отсутствии (2).

А — игла положительная;

В — игла отрицательная

В промежутке а2 проводимость увеличивается за счет короны. Поэтому напряжение распределяется крайне неравномерно. Пробивное напряжение полного промежутка определяется пробивными напряжениями промежутков а1 и а2 в зависимости от местоположения барьера. При формировании пробоя между положительной иглой и отрицательной плоскостью на барьере задерживаются положительные ионы воздуха, возникающие в процессе ударной ионизации и отталкиваемые от положительной иглы. В промежутке а1 поле выравнивается. В промежутке а2 поле остается неравномерным, но значительно ослабляется зарядом барьера.

В результате более равномерного распределения напряженности между барьером и плоскостью электрическая прочность всего промежутка увеличивается. Поэтому барьер желательно ставить ближе к игле. При расположении барьера на оптимальном расстоянии от иглы (0,2 — 0,25)а пробивное напряжение промежутка возрастает в 2 — 2,5 раза по сравнению с пробивным напряжением того же промежутка без барьера.

При отрицательной игле (рис.1.7,Б) электроны, двигаясь от иглы и образуя отрицательные ионы воздуха, попадают на барьер и оседают на его поверхности. Если в отсутствие барьера основную роль играл положительный объемный заряд, который уменьшал напряженность поля в основной части промежутка, то при наличии барьера значительную роль начинает играть отрицательный заряд, сконцентрированный в нем.

Этот заряд увеличивает напряженность поля между барьером и плоскостью. В результате в промежутке усиливается ионизация, что приводит к снижению электрической прочности всего промежутка, и облегчает его пробой. При отрицательной игле барьер, расположенный на расстоянии а2 = (0,2 — 0,25)а от иглы, не только не дает существенного увеличения пробивного напряжения, но даже может несколько уменьшить его.

Наличие барьера между иглой и плоскостью в средней зоне практически ликвидирует эффект полярности; пробивные напряжения при обеих полярностях оказываются близкими.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ГАЗА

Давление для нормальных условий: давление Р=101,3 кПа
(760 мм рт. ст.), температура окружающего воздуха 20 °С, т.е. относительная плотность d = 1. Известно, что в пределах d = 0,96 — 1,09 пробивное напряжение воздуха прямо пропорционально относительной плотности d. Поэтому для определения действительного пробивного напряжения шарового разрядника в условиях опыта необходимо найденные по таблицам величины напряжения умножить на относительную плотность d, определенную по формуле

где р — атмосферное давление, мм.рт.ст.;

t — температура окружающего воздуха, о С.

3. Форма электродов

4. Расстояние между электродами

5. Частота напряжения

6. материал электродов

состав и природа газов

В данной лабораторной работе изучаются виды разрядов, наблюдаемых в ходе проведения опытов и влияние некоторых из перечисленных факторов на пробивное напряжение газов.

Схема установки

В зависимости от места проведения лабораторной работы для получения высокого постоянного напряжения используется схема а или б, приведенная на рис.1.8.

На рис.1.8,а приведена схема выпрямления с удвоением напряжения. Напряжение снимается с двух последовательно соединенных конденсаторов. Оно равно двойному амплитудному напряжению трансформатора Т за вычетом небольшого падения напряжения в цепи заряда. На рис. 1.8,б приведена схема выпрямления с использованием двух высоковольтных трансформаторов Т1 и Т2, вторичные обмотки которых соединены последовательно при заземлении средней точки. Выпрямленное напряжение, снимаемое с двух последовательно соединенных конденсаторов, равно двум амплитудным напряжениям каждого из трансформаторов.

Высокое постоянное напряжение получается путем заряда конденсаторов С1 и С2 через высоковольтные полупроводниковые вентили VD1 и VD2 от трансформатора высокого напряжения промышленной частоты. Сопротивление R1(рис.1.8,а) или R1, R2 (рис.1.8,б) служат для защиты трансформатора от всевозможных перенапряжений, возникающих в момент пробоя испытуемого объекта или измерительных шаров. Сопротивления R2, R3(рис.1.8,а) или R3, R4 (рис.1.8,б) служат для защиты конденсаторов при пробое испытуемого объекта.

Читайте также:  Номинальный ток силового щита

Для отключения установки в момент пробоя используется реле Р максимального тока (SB2 — кнопка включения контактора).

Рис. 1.8. Схема установки для получения выпрямленного высокого напряжения:

а — с одним высоковольтным трансформатором;

б — с двумя трансформаторами

Регулирование величины первичного напряжения производится плавно при помощи лабораторного автотрансформатора. Повторное включение высокого напряжения после автоматического отключения при пробое производится только после уменьшения первичного напряжения до нуля.

Для измерения вторичного напряжения испытательной установки используется вольтметр, включенный на первичной стороне. Значение вторичного напряжения определяется с помощью градуировочной кривой, снятой при холостом ходе установки (без объекта испытания).

Необходимо учитывать, что при измерении разрядных напряжений в резко неравномерных полях, когда полному пробою предшествует корона или скользящий разряд, пользование градуировочной кривой, полученной без подключенного объекта, вызывает дополнительную погрешность.

Перед началом опытов студенты должны в присутствии преподавателя убедиться, что схема выключена и заземлена, ознакомиться с точками схемы, требующими заземления для полного разряда ее; ознакомиться с оборудованием; установить полярность выводов схемы (по положению вентилей).

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

1. Определить поправочный коэффициент, учитывающий условия проведения опыта (с. 000, ф.111).

Для расчетов необходимо записать значение температуры и давления, используя барометр, установленный на стенде.

2. Определить напряжение пробоя воздуха в однородном поле. Для этого на выходе схемы (см. рис. 1) включить измерительные шары и, меняя между ними расстояние а, регистрировать величину первичного напряжения трансформатора U1 в момент пробоя между шарами. Данные занести в таблицу 1.2. Определить вторичное напряжение U, используя градуировочную кривую на стенде или данные, приведенные в Приложении 1. Определить реальное напряжение в момент опыта U с помощью поправочного коэффициента. Фиксировать вид разряда, наблюдаемый в процессе опыта.

Расстояние между электродами, а, см Вид разряда Напряжение в условиях опыта Напряжение, приведенное к нормальным условиям
U1, В эфф. U, кВ макс. U, кВ макс.
® + ® — ® + ® — ® + ® —

3. Определить напряжение появления короны и полного пробоя в резко неоднородном поле.

Для этого подключить к выходу схемы промежуток игла-плоскость. Изменять величину воздушного промежутка (а =2, 4, 6, 8 см.) при разных полярностях. Данные занести в табл. 1.3. Использовать для определения вторичного напряжения градуировочную кривую. Отметить и объяснить изменение напряжения появления коронного разряда и дуги при разных полярностях.

Расстояние между электродами, а, см Вид разряда Напряжение в условиях опыта Напряжение, приведенное к нормальным условиям
U1, В эфф. U, кВ макс. U, кВ макс.
® + ® — ® + ® — ® + ® —
Корона
Дуга или искра

3. Определить влияние барьера на напряжение полного пробоя между иглой и плоскостью.

Для этого установить между иглой и плоскостью расстояниеа = 8 см. Установить барьер из листа бумаги, следя за тем, чтобы он был хорошо натянут и закреплен. Положение барьера относительно иглы а2 устанавливать на 1, 2 и 4 см. Опыт провести при разных полярностях иглы. Показания занести в табл.1.4.

Расстояние от барьера до иглы, а2, см Напряжение пробоя в условиях опыта Напряжение, приведенное к нормальным условиям
U1, В эфф U, кВ макс U, кВ макс
® + ® — ® + ® — ® + ® —

Отчет по работе должен содержать схемы испытания, таблицы с результатами опытов, графики напряжения пробоя Uпр. = f (a) для однородного поля и двух полярностей резко неоднородного поля, и напряжения появления короны Uк = f (a). В выводе к работе пояснить, как исследуемые факторы влияют на пробивное напряжение газов.

Контрольные вопросы

1. Определение процесса ионизации газа.

2. Ионизация объемная и поверхностная.

3. Виды разрядов в газе.

4. Понятие резко неравномерного поля, график распределения напряженности в таком поле.

5. Электрическая прочность — одна из основных характеристик изоляции, ее смысл, единицы измерения.

6. Дать определение эффекта полярности. Подробно ионизационные процессы должны быть рассмотрены на коллоквиуме.

7. Назначение барьера в газовом промежутке. Влияние барьера на электрическую прочность промежутка при различных полярностях электродов.

8. Электрическая схема измерения, назначение всех ее элементов (на вторичной стороне трансформатора ).

Источник

Но какое электрическое поле необходимо для пробоя воздуха?

ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

Механизм пробоя воздуха

В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.

Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.

В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 10 14 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 10 14 раз, получим шарик радиусом в 10 км.

Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*10 19 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.

Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд

е=-1,6*10 -19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10 -8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона

где ke коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*10 9 , если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, что q1 = q2 , получаем

Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.

Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U. Следовательно, ели длина промежутка равна d, то

и измеряется в вольтах на метр (В/м)

В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.

Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой

Если это заряд электрона q, то . Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):

Подставляя в эту формулу е=-1,6*10 -19 Кл, ke = 9*10 9 , r=10 -8 см=10 -10 м, получим:

Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.

Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!

Весь секрет в механизме отрывания электрона.

Рассмотри этот природный секрет.

Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.

Как было сказано выше, в 1 см 3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.

Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.

Но какое электрическое поле необходимо для пробоя воздуха?

Как известно, свойства молниевого разряда исследовали на искусственных высоковольтных генераторах в виде искрового разряда. Оказывается, средняя напряженность электрического поля существенно зависит от расстояния между электродами:

Среднее пробивное поле, кВ/см
Длина промежутка, м

Анализируя график, видим, что в промежутке 2 м пробой наступает при 4 кВ/м, в промежутке 10 м — достаточно 2 кВ/м, а при промежутке 100 м для пробоя требуется всего 500 В/м.

Чтобы понять причину нелинейной зависимости удельной напряженности пробоя от длины воздушного промежутка, еще в 30-х годах прошлого столетия осуществлялись исследования развития молний, а затем на искусственных генераторах исследования длинных искровых разрядов. Использовались в основном фоторазвертки процессов. Из зарубежных исследователей известен Б.Шонланд, в СССР — И.С.Стекольников.

Процесс развития молнии

Как известно, 80-90% молний развиваются из отрицательно заряженных областей грозового облака.

По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряженность электрического поля Е. Когда Е достигает критического значения,зависящего от высоты над землей, становится возможной ионизация воздуха, и в сторону земли начинает развиваться разряд. На начальной стадии, называемой лидерной, канал разряда развивается ступенчато. Ступени следуют друг за другом с интервалами 30-50 мкс. Во время каждой ступени канал удлиняется на 5-100 м. Новая часть разрядного канала вспыхивает ярко, в то время как старая светится более тускло (рис.2, дискретная развертка). Лидерный процесс развивается со средней скоростью 1…2х10 5 м/с (360000…720000 км/ч) и продолжается 10-30 мс. Ток в лидерной стадии молнии составляет от десятков до сотен ампер. Радиус зоны ионизации лидерного канала – 2…20 м.

Рис. 2. Схема развития нисходящей молнии: 1 — ступенчатый лидер;

2 — стрело­видный лидер; 3- главный разряд; 4 — ветвь

Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды противоположного знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов возрастают, и с них могут развиваться встречные лидеры.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к к одному из встречных лидеров на расстояние 25-100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой составляет 10 кВ/см. При этом промежуток между лидерами пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5…5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию промежутка. Проводимость этой части канала резко возрастает. Область высокой напряженности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводящего канала и зоны ионизации лидера, перемещается к облаку со скоростью от 1,5·10 7 до 1,5·10 8 м/с (0,05…0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера. Ток в канале за 5..10 мкс достигает многих десятков килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины максимального значения. Этот процесс, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда и электромагнитным излучением. Канал главного разряда, разогретый до температуры 20…30·10 3 К, быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, воспринимаемой как гром. В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер (нейтрализуются заряды облака).

Читайте также:  Условное обозначение силы тока в электрической цепи

В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна об­ласть концентрации зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электрического поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому развитие разряда из нижней заряженной области по другим направлени­ям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрализации заря­да нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте области концентрации зарядов (рис. 3).

Рис. 3. Схема развития двухкомпонентной молнии

Лидер повторного разряда развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 106 м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко светится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке по времени непрерывную линию (см. рис. 2). Особенности развития лидера повторных разрядов дали основание называть его стреловидным.

По достижении стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, сопровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов (компонентов), однако наблюдаются молнии и с большим числом компонентов (до 20-30). На рис. 4 показаны вероятности возникновения молний с разным числом компонентов. Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще же всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за другом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдателем как мерцание молнии.

Рис. 4. Распределение числа компо­нентов в ударе молнии

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню в Москве, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли).

Такие молнии не имеют резко выраженной главной стации. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний (рис. 5).

Рис.5 Схема развития восходящей молнии:

1 — ступенчатый лидер; 2 — стрело­видный лидер; 3 — главный разряд.

Классификация молний. Как упоминалось выше, молнии могут быть отрицательные (их около 90%) или положительные в за­висимости от знака заряда облака. Из самой структуры грозово­го облака (см. предыдущую лекцию) следует, что в некоторых случаях они могут быть биполярными, т.е. в начальной части на землю проходит, например, отрицательный ток (переносятся отрицательные заряды), а потом его полярность меняется на положительную. В зависимости от направления развития лидера — от облака к земле или наоборот — молнии разделяются на нисходящие (на­правленные вниз) и на восходящие (направленные вверх). По­следние наблюдаются при поражениях высоких объектов и в горах. Вероятность возникновения восходящих молний возраста­ет с увеличением высоты объекта. При поражениях конструкций высотой около 100 м только в 10% случаев молнии бывают на­правленными вверх, в то время как при высоте конструкций более 400 м восходящие молнии составляют 95%.

Наряду с завершенными разрядами, образующими канал об­лако-земля, могут быть и незавершенные разряды. В последнем случае лидерный канал прекращает свое развитие, не доходя до противоположного электрода — земли или облака. Причиной этому могут быть быстро меняющиеся условия в недостаточно зрелом грозовом облаке. Классификация молний по К. Бергеру (Швейцария, исследования молний проводились с 1943 г. по 1973 г., результаты заслуживают наибольшего доверия) показана на рис. 6. Для большинства наземных сооружений характерны типы молний 1в и Зв.

Рис.6 Классификация молний по К. Бергеру (1977):

Л – направление развития лидера; ГР – направление развития главного разряда

В общей сложности в лаборатории К. Бергера были зарегистри­рованы и обработаны результаты регистрации примерно 2000 ударов молний. Результаты измерений статистически обработа­ны и отражены во многих публикациях.

Для того чтобы проиллюстрировать особенности тока раз­личного вида молний, приведем типичные осциллограммы, по­лученные К. Бергером.

На рис. 7 показан ток многокомпонентной молнии с отри­цательно заряженного облака. Между импульсами и в конце процесса протекает ток. Чтобы продемонстрировать этот ток, начиная с 300 мс масштаб тока резко уменьшен.

Рис. 7. Осциллограм­ма тока молнии, разви­вающейся с отрицатель­но заряженного облака

Рассмотрим токи молний в месте удара в землю или объект, расположенный на земле.

Незавершенные восходящие молнии, развивающиеся, как правило, с высоких объектов в направлении облака, сопровождаются небольшими по значению лидерными токами, протекаю­щими по объекту, и обычно не представляющими для них опас­ности. При незавершенных нисходящих молниях через объекты, находящиеся на земле, могут проходить лишь токи, обусловлен­ные перемещением индуктированных зарядов, которые гораздо меньше, чем лидерные токи.

Известно, что примерно 90% грозовых разрядов на землю происходит с от­рицательно заряженных облаков. Эти молнии по классификации К. Бергера подразделяются на нисходящие и восходящие и со­держат, как правило, несколько компонентов. Ток у земли нисходящей молнии с отрицательно заряженного облака начинается с импульса главного разряда первой вспышки (рис. 8, а), за ним протекает постоянная составляющая, на ко­торую накладываются импульсы главных разрядов последующих компонентов молнии. Амплитуда импульса тока первого разряда, как правило, на десятки процентов выше, чем последующих (см., например, осциллограмму на рис. 7), однако крутизна второго импульса тока в несколько раз превышает крутизну первого импульса.

При восходящей отрицательной молнии через объект на землю протекает ток развивающихся восходящих лидеров, переходящий в ток постоянной составляющей (рис. 8, б), на который накладываются последующие импульсы токов главных разрядов. Ток главного разряда первого импульса через объект не протекает. Это объясняется тем, что даже при

Рис. 8. Типы молний и характерные для них токи

восходящей молнии все последующие вспыш­ки происходят путем развития нисходящих лидеров по каналу разряда, образованному первой вспышкой.

Иногда наблюдаются грозовые разряды с переменой направ­ления прохождения тока, что схематически показано на рис. 8, е. Такой характер процесса объясняется тем, что при развитии грозового разряда подключаются другие участки гро­зового облака, имеющие заряды противоположного знака.

Нисходящие молнии с положительно заряженного облака ха­рактеризуются сравнительно длительным импульсом тока глав­ного разряда (см. рис. 8, г), при котором большая часть заряда облака переносится на землю во время импульса; при таких мол­ниях трудно выделить стадию постоянной составляющей тока.

При восходящих положительных молниях через объект про­текают лишь лидерный ток и постоянная составляющая тока (рис. 8, д), обусловленная стеканием заряда из облака на землю.

Представленные на рис. 8 процессы формирования токов молний различных типов составлены на основе данных, полученных непосредственным измерением токов молний.

При решении проблем молниезащиты и обеспечения молниеустойчивости объектов часто бывает достаточным знать наибо­лее опасные основные параметры тока молнии. Важнейшим из них является максимальное значение тока.

Как уже отмечалось, наибольшие по значению токи в объек­тах, расположенных на земле, при отрицательном заряде облака наблюдаются при нисходящих молниях, причем это токи первых главных разрядов. Ста­тистические данные о значени­ях токов главных разрядов приведены на рис. 9, где по оси ординат отложена вероят­ность Р того, что амплитуда тока равна заданному значе­нию Iм или превышает его. За­висимости 1 и2 построены по данным К. Бергера.

Рис.9. Статистические данные о максимальных значениях токов молний:

1 – по результатам измерений К.Бергера

Следует отметить, что данные, полученные Е. Гарбаньяти и др. [2.11, 2.12], при р

50% практически не отличаются от данных К. Бергера.

Из сопоставления зависимостей 1 и 2 на рис. 9 можно сде­лать вывод о том, что при разработке систем обеспечения молниеустойчивости объектов нельзя пренебрегать протеканием через объект токов до нескольких сотен килоампер, обусловлен­ных положительными молниями. Несмотря на то, что положи­тельные молнии наблюдаются в значительно реже, чем отрица­тельные, с вероятностью р

1% общего числа поражений воз­можны токи 300-400 кА.

Рис. 10. Типы молний и характерные для них токи

Источник



Случаи электрического пробоя воздушного промежутка

Наиболее часто поражения людей электротоком происходят при пробоях изоляции воздушного промежутка на высоковольтных устройствах на энергетических подстанциях и воздушных ЛЭП, где воздух используется в качестве изоляционной среды.

Риск получения электротравмы в результате пробоя воздушного промежутка. Если к двум плоским металлическим пластинам с выровненными поверхностями, расположенными на одинаковом удалении между собой в воздушном пространстве приложить разность потенциалов, то в промежутке между ними создастся равномерное поле.

Для того, чтобы через пластины и воздушный промежуток пошел электрический ток потребуется создать высокое напряжение на обкладках. При нормальных условиях, для создания пробоя потребуется приложить порядка 3-4 кВ на каждый миллиметр расстояния.

Равномерное электрическое поле поддерживается между поверхностью землю и проводами ВЛ и/или оборудованием ПС при обычных условиях эксплуатации.

Однако, изоляционные параметры воздушного зазора резко изменяются в неравномерном электрическом поле, которое создается выступами, выпуклостями, “иглами” потенциальных поверхностей.

В подобных ситуациях создается не равномерность распределения потенциалов по принципу “иглы-линии” или “иглы-поверхности”.

Она резко уменьшает диэлектрические свойства воздуха, для пробоя одного сантиметра которого уже будет достаточно разности потенциалов в 4 кВ.

Условия создания цепи тока через воздушный промежуток. Для нормальной работы высоковольтного оборудования всю электрическую часть схемы поднимают на большую, недоступную для обычных условий высоту.

Перемещения обслуживающего персонала по территории производится по назначенным и проверенным маршрутам. Запас расстояния до токоведущих частей гарантирует безопасность людей, выполняющих технологические мероприятия и проводящие обязательные ежедневные осмотры электрической схемы.

Однако, под оборудованием ОРУ и ВЛ периодически проводятся профилактические работы, уборка и вывоз с территории травы или снега, рытье канав для прокладки кабелей или трубопроводов, монтаж дополнительных конструкций, связанные с перемещениями людей и техники.

Если какой-либо работник поднимет вверх свой инструмент, кусок проволоки или любой предмет и нарушит безопасное расстояние до проводов под напряжением, то возможен пробой воздушного пространства, образованного между потенциалом высоковольтного оборудования и землей через тело неумелого человека с образованием электрической дуги.

Возможные последствия. Существующие защиты высоковольтных устройств очень быстро отключают возникающие короткие замыкания. Но это не обеспечивает безопасность пострадавших в полной мере.

Возникающая дуга между оборудованием и землей проходит сквозь тело человека кратковременно, но создает большие и опасные нарушения кожного покрова, костной и мышечной ткани.

Способы защиты. Технические приемы защиты от пробоя изоляции воздуха сводятся к применению быстродействующих защит оборудования и поднятию на большую высоту токоведущих высоковольтных частей. Однако, они не способны гарантированно исключить вероятность травм людей от действия пробоя промежутка воздуха.

Основным способом защиты является комплекс выполнения предупредительных организационных мероприятий, направленных на недоступность для работников приближения к токоведущим частям.

Источник