pobierz

Wiadomości podstawowe
Problematyka wysokonapięciowa
Zagadnienia techniki wysokich napięć występują w różnych dziedzinach nauki
i techniki, jak fizyka, medycyna, energetyka jądrowa i ochrona środowiska, szereg
przemysłów (chemiczny, spożywczy, włókienniczy, papierniczy). Jednak główną dziedziną
w której problemy wysokonapięciowe dominują jest elektroenergetyka, a zwłaszcza
wysokonapięciowe układy izolacyjne. Problematyka wysokonapięciowa jest wspólna dla tych
wszystkich dziedzin techniki. Różnice dotyczą jedynie sposobu wykorzystania lub
eliminowania zjawisk wysokonapięciowych, głównie wyładowań elektrycznych, i rodzaju
stosowanych w tym celu urządzeń.
Przykładem praktycznego wykorzystania zjawisk wysokonapięciowych mogą być
urządzenia do odpylania gazów (elektrofiltry), inhalatornie, malowanie elektrostatyczne,
sortowania ziarna, produkcja tkanin igłowych itp.
Do zjawisk zwalczanych należą: zakłócenia elektromagnetyczne, skutki wyładowań
atmosferycznych,
elektryczność
statyczna
i
ulot
w
przesyłowych
liniach
elektroenergetycznych przy napięciach roboczych.
Poznanie zjawisk i urządzeń wysokonapięciowych wymaga opanowania podstaw
wiedzy z zakresu :
- zagadnień wytrzymałości elektrycznej
- zagadnień przepięć i ochrony przepięciowej
- techniki probierczo-pomiarowej
W ramach wytrzymałości elektrycznej rozpatrywane są zjawiska zachodzące
w dielektrykach pod wpływem naprężeń elektrycznych oraz powstawania i rozwoju
wyładowań elektrycznych w różnych układach.
Zagadnienia przepięć i ochrony przepięciowej dotyczą powstawania, rozwoju
i ograniczania procesów elektromagnetycznych powodujących naprężenia elektryczne
różnych układów.
Technika probierczo-pomiarowa służy do badania zjawisk wytrzymałościowych
i przepięciowych
1
A. Wytrzymałość dielektryczna
1. Pole elektryczne i układy izolacyjne
1.1 Pojęcia podstawowe
Układ izolacyjny - przestrzenny układ elektrod rozdzielonych dielektrykiem.
Układ izolacyjny foremny - gdy kształt elektrod jest foremny (płaski, kulisty).
Dielektryk jednorodny - jednakowe własności dielektryczne w dowolnym kierunku.
Dielektryk niejednorodny - zróżnicowane własności fizyczne i zanieczyszczenia (domieszki)
innego dielektryka w postaci wtrącin.
Układ uwarstwiony - układ z wyodrębnionymi obszarami różnych dielektryków.
Dielektryk doskonały (idealny) - gdy nie ma upływności i nie występują straty.
Naprężenie dielektryczne - natężenie pola elektrycznego lub gradient potencjału w dowolnym
punkcie dielektryka, spowodowany przyłożonym napięciem.
Naprężenie krytyczne - naprężenie, przy którym dielektryk traci własności izolacyjne
w dowolnym punkcie.
Napięcie początkowe wyładowań - napięcie, przy którym osiągnięte zostało naprężenie
krytyczne.
Napięcie przebicia (przeskoku) - napięcie, przy którym dielektryk (gaz) traci własności
izolacyjne na całej drodze między elektrodami.
Napięcie wytrzymywane - najwyższa wartość napięcia, która jeszcze nie powoduje przebicia
dielektryka.
Wytrzymałość dielektryczna - wartość natężenia pola elektrycznego, przy którym następuje
przebicie dielektryka.
Napięcie przebicia - napięcie, przy którym następuje przebicie układu ; utożsamiane jest pod
względem wartości z najwyższym napięciem wytrzymywanym.
Napięcie probiercze - napięcie przykładane do układu w czasie prób wytrzymałości
dielektrycznej.
2
Rurka dielektryczna - część
ęść dielektryka między
mi dzy elektrodami ograniczona liniami natężenia
nat
pola elektrycznego.
Komórka dielektryczna - część rurki dielektrycznej wynikająca
ąca z jej podziału przez
prze
powierzchnie ekwipotencjalne o jednakowej różnicy
ró nicy potencjałów i charakteryzująca
charakteryzuj
się stałą
wartością pojemności.
C =
Pole
jednorodne
-
pole
o
stałym
ε bl
a
= const
nat
natężeniu
międzyelektrodowej, równym wartości
warto
średniej
w
każdym
dym
punkcie
przestrzeni
Eśr, w którym wszystkie komórki są
s
jednakowe.
Pole niejednorodne - pole, którego natężenie
nat
zmienia się wzdłużż drogi łączącej
łą
elektrody
i w którym komórki mają różne
ró
wymiary. Największe wartości
ści natężenia
natęż
pola
Em
i naprężenia krytyczne występują
ępują w komórkach o najmniejszych wymiarach.
Pole symetryczne - pole, w którym istnieje płaszczyzna ekwipotencjalna, a jego rozkład po
jednej stronie płaszczyzny jest zwierciadlanym
zwier
odbiciem rozkładu po drugiej
drugi stronie.
3
Pole o symetrii obrotowej - pole, którego obraz nie zmienia się
się przy dowolnym przekroju
płaszczyzną przechodzącą
ą ą przez jedną
jedn prostą, zwaną osią symetrii.
Układ idealny - układ o nieograniczonych wymiarach elektrod.
elektrod
Układ praktyczny - układ, w którym na krańcach
kra
elektrod występująą odkształcenia pola.
pola
Efekt krawędziowy - odkształcenie pola na krańcach
kra
elektrod.
Układ symetryczny - układ elektrod, do których przyłożono
przyło
napięcie
ęcie o jednakowej wartości
warto
lecz różniące się znakiem względem
wzglę
ziemi (ziemia stanowi trzecią elektrodę).
elektrodę
Układ niesymetryczny - układ, w którym jedna elektroda jest uziemiona (ziemia stanowi
trzecią elektrodę).
Elektroda ostrzowa idealna - elektroda ostrzowa, przy której natężenie
natęż
pola osiąga
nieskończenie dużą wartość.
Elektroda ostrzowa praktyczna - elektroda ostrzowa, której promieńń krzywizny ma skończoną
sko
wartość.
Uwarstwienie równoległe dielektryków - powierzchnia graniczna jest równoległa do linii
natężenia pola elektrycznego.
4
Uwarstwienie szeregowe dielektryków - powierzchnia graniczna jest prostopadła do linii
li
natężenia pola elektrycznego.
Uwarstwienie ukośne
ne dielektryków - powierzchnia graniczna przecina linie natężenia
nat
pola
elektrycznego pod kątem
ątem ostrym.
ostrym
2. Układy i zależności
ści podstawowe
2.1 Układy izolacyjne foremne o jednorodnym dielektryku idealnym
Pole elektrostatyczne jest polem potencjalnym.
Przesunięcie po drodze dx ładunku jednostkowego wbrew sile pola Ex zwanej natężeniem
pola elektrycznego wymaga wykonania pracy
dV = - Ex dx
równoznacznej z różnicąą potencjałów na tej drodze.
Natężenie pola elektrycznego
Ex = - dV / dx
nazywane jest również naprężeniem
ężeniem dielektrycznym w punkcie x.
Jednostką natężenia
enia pola elektrycznego jest 1 V/m ; w technice wysokich napięć
napi stosowane
są również jednostki pochodne 1 kV/m , 1 kV/cm.
Charakterystyki naprężeń
ęż ń typowych układów izolacyjnych
1. układ elektrod płaskich
Em = Eśr = U / a
2. układ kulowy koncentryczny
E m = Er =
5
U R
a r
3. układ niesymetryczny kulowy
Em =
U
βz
a
Em =
U
βs
a
 a
 r
βz = f  
4. układ symetryczny kulowy
 a
 r
βs = f  
5. walce współosiowe (koncentryczne)
U
Em = Er =
r ln
R
r
6. układ walec - płaszczyzna
Em = Er =
U
2h
r ln
r
Em = Er ≅
U
7. walce mimoosiowe (ekscentryczne)
2r ln
6
a
r
8. układ trójkątny
tny trzech przewodów
Em ≅ 115
,
U
2 r ln
a
r
9. układ płaski trzech przewodów
Em ≅ 119
,
U
2 r ln
a
r
2.2 Układy praktyczne
Układ płaski
y =
pole jednorodne przy stosunku
d/a ≥ 5
Układy kulowe
pole jednorodne dla stosunku
a
≤ 1
r
7
π
x 
a π
+ e a

π  2

Układy uwarstwione o dielektrykach idealnych
Układ płaski uwarstwiony równolegle
E m = E1 = E 2 =
U
a
Układ płaski uwarstwiony szeregowo
Em1
E
ε
= 1 = 2
E m2
E2
ε1
E1 =
ε2 U
a1 ε 2 + a2 ε 1
E2 =
Układ walcowy koncentryczny uwarstwiony szeregowo
Em1
E
ε r
= r1 = 2 2
E m2
Er 2
ε 1 r1
E r1 =
Er 2 =
8
U
ε2
r1 ε ln r2 + ε ln r3
2
1
r2
r1
U
ε1
r2 ε ln r2 + ε ln r3
2
1
r1
r2
ε1 U
a1 ε 2 + a2 ε 1
3. Układy z dielektrykami rzeczywistymi
Występujące w praktyce dielektryki nie są idealne, chociaż często mogą być tak
traktowane.
Dielektryki rzeczywiste odznaczają się pewną przewodnością elektryczną. Gęstość prądu
występującego w dielektryku pod wpływem przyłożonego napięcia określona jest
zależnością:
J = γ E + ε
γE = 0,
- gdy
J =
ε ∂E/∂ t
∂E
∂t
dielektryk zachowuje się jak dielektryk doskonały
(występuje prąd przesunięcia ).
- gdy
ε ∂E/∂ t = 0,
J = γE
dielektryk ma cechy przewodnika ( występuje prąd
przewodzenia ).
Jeżeli dielektryk niedoskonały jest jednorodny, to zachowuje w całym obszarze stałe
wartości
ε i γ.
Rozkład pojemnościowy natężenia pola jest równoważny rozkładowi
przewodnościowemu i oba upodobniają się do rozkładu pola elektrostatycznego. Inaczej jest
w dielektrykach niejednorodnych.
Prąd przewodzenia jest związany z ruchem swobodnych nośników ładunków i ma
charakter zanikającego prądu czynnego. Prąd przesunięcia związany jest ze zjawiskiem
polaryzacji.
Posiada
składową
pojemnościową
(polaryzacja
elektronowa,
atomowa
i częściowo dipolowa oraz ładunku przestrzennego) oraz składową czynną (polaryzacja
dipolowa i ładunku przestrzennego). Z przepływem prądu czynnego wiążą się straty
dielektryczne. Decydujący udział w stratach ma składowa czynna polaryzacyjna, dlatego
straty są znacznie większe przy napięciu przemiennym niż przy napięciu stałym.
3. 1 Stratność dielektryczna
W wyniku przepływu prądu czynnego w dielektryku powstają straty. Energia
elektryczna zamieniona jest na ciepło. Zmniejsza się wytrzymałość dielektryczna układu
(dielektryki stałe i ciekłe). Moc czynną pobieraną przez układ i zamienianą na ciepło
nazywamy mocą strat dielektrycznych i wyrażamy znanym wzorem :
P = U I cosϕ
9
gdzie U - wartość skuteczna napięcia
napi
przyłożonego do elektrod układu
I - wartość skuteczna prądu
prą płynącego przez dielektryk układu
ϕ - kąt przesunięcia
ęcia między
mię
wektorem U i I (rys).
Po rozłożeniu wektora I na składową
składow IR i IC zgodną i prostopadłą do wektora U
otrzymamy :
I = IC / cos δ ,
ponadto mamy : IC = U ω C
δ = 90o - ϕ
gdzie C - pojemność układu izolacyjnego
ω - pulsacja przyłożonego napięcia
ęcia przemiennego
Po podstawieniu wypisanych wartości
warto otrzymujemy :
P = U I cos ϕ = U IR = U IC tg δ = U2 ω C tg δ
Kąt δ nazywamy kątem
tem stratności,
stratnoś a tg δ - współczynnikiem stratności.
Ostatnia zależność
ż ść wskazuje na to, że straty dielektryczne P są proporcjonalne do
współczynnika stratności;; jeśli
jeś inne wielkości są stałe, tg δ
jest miarą
miar strat. Pomiar
współczynnika stratności
ści tg δ układów izolacyjnych ma na celu ocenęę stanu izolacji oraz
sprawdzenie, czy własności
ści izolacyjne dielektryków nie ulegają
ulegają pogorszeniu. Wagę
Wag
przywiązuje się nie tyle do samej wartości
warto
tg δ ile do tego, czy nie następuje
nast
wzrost tej
wartości w ciągu dłuższego
ższego czasu. W ten sposób możemy
mo
wykryć zawilgocenie
awilgocenie izolacji,
powstanie szczelin, zanieczyszczeń
zanieczyszcze izolacji itp.
Współczynnik strat zależy
zależ od częstotliwości przyłożonego
onego napięcia
napię
i temperatury
dielektryka. Dla większości
ści
ci dielektryków stałych i ciekłych stosowanych w elektrotechnice,
przy częstotliwości
ci 50 Hz w temperaturze pokojowej, tg δ ma wartość
ść rzędu 10-2...10-3.
10