Физическое моделирование воздушных линий сверхвысокого напряжения с расщеплением для мониторинга зажигания коронного разряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С РАСЩЕПЛЕНИЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЗАЖИГАНИЯ КОРОННОГО РАЗРЯДА

Зиновьев К.А.,

Ерошенко С.А.,

Глушков Д.А.

Введение

Объектом исследования является установка для исследования коронного разряда на поверхности расщепленного проводника линии электропередач, рис. 1.

В процессе работы выполнен теоретический обзор расчетных методик определения критической напряженности и напряжения появления коронного разряда, выполнено экспериментальное исследование коронного разряда на модели расщепленного провода. В результате экспериментального и теоретического исследования определено напряжение зажигания коронного разряда, оценена критическая напряженность электрического поля на поверхности коронирующего проводника, получены вольт-кулонные характеристики коронного разряда.

Пересчет радиуса расщепления к эффективному радиусу

Одна из основных задач, которой посвящено это исследование - это поиск оптимального радиуса расщепления, при котором напряжение зажигания коронного разряда будет максимальным. Для расчета значений критической напряженности и напряжения зажигания коронного разряда необходимо эквивалентировать расщепленный провод. Это возможно сделать с помощью r_э, эквивалентного (эффективного) радиуса расщепления, т.е. радиуса такого одиночного провода, который при том же потенциале имеет тот же заряд q. Следует отметить, что одиночный провод с радиусом r_э тождественен расщепленному проводу только по емкости [1]. Например, существенно различна напряженность электрического поля на поверхности проводов расщепленной фазы и эквивалентного одиночного провода, так как поверхность последнего П₀=2r_э много больше суммарной поверхности расщепленного провода П_р=2r₀n. Действительно, согласно (2) и так как на линиях электропередачи r_p3, 3r₀n.

(1)

Рис. 1. Геометрия расщепленного провода R_c=365 (мм) - радиус цилиндра; r₀=0, 25 (мм) - радиус одной жилы; а=2;4;6;8;10;12 - расстояние между жилами (шаг расщепления);rр- радиус, проведенный через оси составляющих (радиус расщепления)

На основе геометрии, представленной на рис. 1 можно вывести формулу радиуса расщепления:

(2)

Эквивалентный радиус расщепления, можно рассчитать по формуле (3):

(3)

где n - число составляющих. При n = 4 эквивалентный радиус расщепления можно рассчитать по (4)

(4)

Аналитические результаты

Эмпирические формулы Пика и других авторов

Заинтересованный читатель при детальном изучении коронного разряда может столкнуться с тем, что для расчета , амплитудного значения начальной напряженности коронного разряда, исследователи используют различные формулы. Таким образом, одной из задач исследования стала необходимость оценки их достоверности. На основе общего вида формулы (5) составим сравнительную табл.1.

(5)

При расчетах амплитудного значения начальной напряженности коронного разряда по формулам, приведенным в табл. 1 были приняты следующие допущения: плотность воздуха д=1, поверхность провода идеальная . Результаты расчета представлены на рис. 2.

Таблица 1. Коэффициенты уравнения

Программный пакет Betafields Eкр=24.5кВ;Uкр=var

Для построения зависимостей критической напряженности короны от шага расщепления и более детального анализа распределения электрического поля вдоль поверхности расщепленного провода проводилось моделирование в специальных программных комплексах Elcut и Betafields. С точки зрения точности и достоверности расчета стоит отдать предпочтение программе Betafields. Это обусловлено возможностью задаться меньшим размером элементов расчетной сетки и самой структурой программы.

При анализе для удобства исходное напряжения для всех случаев принималось равным 10 кВ. В свою очередь амплитудное значение начального напряжения короны определялось из равенства (6):

E_10кВ/U_10кВ=E₀/U_x(6)

где E₀ - амплитудное значение начальной напряженности. Для воздуха E₀ было принято 24.5 кВ/см.

Рис. 2. Зависимость амплитудного значения начального напряжения короны от эквивалентного радиуса расщепления

По рис. 2 можно заметить, что U_{кр_Betafields} U_{кр_Пик} Объяснение этому достаточно очевидно. Пик фиксировал напряжение зажигания коронного разряда визуально.

Экспериментальные значения

Объектом испытания является модель воздушной линии электропередачи с расщепленным проводом, причем число составляющих равно четырем. Диаметр составляющей составляет 0.5 мм, а в качестве материала используется медь.

Стоит отметить, что фиксация напряжения появления коронного разряда проводилась двумя способами. С помощью осциллографа (по импульсам Тричела) и визуальной фиксацией коронного разряда., причем последний способ проводился на методике, описанной в [2].

Видимое свечение короны описано рядом исследователей. Внешний вид короны отличен в случае положительной или отрицательной полярности напряжения на коронирующем проводе. В случае положительной короны на тонких проводах (диаметром несколько мм и менее) это свечение более или менее равномерно охватывает всю поверхность провода. Отрицательная корона, наоборот, распределена в виде отдельных светящихся точек. [3]. В ходе эксперимента наблюдались характерные виды свечений.

Характер развития короны на толстых проводах лишь вначале напоминает явление, на тонких проводах в положительную полуволну переменного напряжения.

С повышением напряжения начинают образовываться отдельные стримеры, причем их длине будет расти вместе с напряжением.

Свечение отрицательной короны на толстых проводах как при постоянном токе, так и в отрицательную полуволну переменного напряжения имеет форму прямолинейных нитей, направленных по силовым линиям поля [4].

Большой интерес представляет сравнение теоретически полученных данных с результатами эксперимента. Полученные зависимости представлены на рис. 3 - 4 соответственно.

Рис. 3. Сравнение экспериментально полученных данных с аналитическими данными, без покрытия лаком

Рис. 4. Сравнение экспериментально полученных данных с аналитическими данными, покрытие лаком

Результаты эксперимента

Анализ экспериментально полученных значений U_кр

По рис. 3-4 можно сделать следующие выводы. При переменном напряжении покрытие лаком провода оказывает влияние не только на напряжение появления коронного разряда, оно относительно выше, чем без лака, но и на оптимальный радиус расщепления провода, при котором напряжение зажигания короны будет максимально. Аналитические результаты практически совпадают с данными, полученными при регистрации коронного разряда по импульсам Тричела, при отсутствии лака. Оптимальный шаг расщепления 0.6 см.

Покрытие лаком провода, при постоянном напряжении положительной полярности, оказывает влияние на напряжение появления коронного разряда, оно относительно выше, чем без лака. Аналитические результаты отличаются почти в два раза по сравнению с экспериментальными данными, но оптимальный шаг расщепления 0.6 см совпадает в обоих случаях.

Покрытие лаком провода, при постоянном напряжении положительной полярности, оказывает влияние только на напряжение появления коронного разряда, оно относительно выше, чем без лака [5]. Аналитические результаты практически совпадают с данными, полученными при регистрации коронного разряда по импульсам Тричела, при отсутствии лака. Оптимальный шаг расщепления 0.6 см.

При сравнении значений напряжения появления короны, рис. 2, полученных по формуле (5) с экспериментальными данными и данными программного комплекса рис. 3, 4 оказалось, что формула (5) не является достоверной применительно к расщепленному проводу и ее использование лишь затрудняет анализ.

Расчет U_кр на основе потенциальных коэффициентов Максвелла

Из полученных экспериментальных значений амплитудного начального напряжения короны выполнен пересчет критических напряженностей короны на основе потенциальных коэффициентов Максвелла [6]:

(7)

где Q/2₀ - зарядный коэффициент; q -заряд одной составляющей; N - число составляющих; r_p, r₀ подставляем в метрах; r_э подставляем в см.

Нужно учитывать, что указанные в табл. 1 исследователи использовали преимущественно визуальный метод фиксирования напряжения появления короны и во всех моделях они использовали провода большего сечения без покрытия лаком. Следовательно, значения критической напряженности вычислено только для случаев визуальной фиксации без покрытия лаком.

По вычисленным значениям по формулам табл. 1 и формуле (7) проведем сравнительный анализ значений критической напряжённости, рис. 5.

Рис. 5. Значения критической напряжённости, полученные теоретическим и экспериментальным способом

Таким образом, при исследовании короны на переменном напряжении стоит отдать предпочтение формуле Г.Н. Александрова, 1973, 1. Для постоянного напряжения отрицательной полярности наиболее близка формула Залесского А.М., 2. Что же касается постоянного напряжения положительной полярности, то в этом случае нет эквивалентной формулы [7].

коронный разряд зажигание провод

Список литературы

Александров Г.Н. Сверхвысокие напряжения. Л., «Энергия», 1973;

F. W. Peek, JR. The law of corona and the dielectric strength of air part I, 1911

Залесский А.М. Вывод провода высокого напряжения из здания без проход-ного изолятора // Труды ленинградского политехническогого института им. М.И. Калини-на № 3; 1948

F. W. Peek, JR. The law of corona and the dielectric strength of air part II, 1912

ГОСТ Р 55194-2012 Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции

Holtzhausen J.P., Vosloo W.L. High Voltage Engineering Practice and Theory. Standard Copyright License, 2001 (c. 58 -63)

The Law of Corona and the Dielectric Strength of Air-Part IV The Mechanism of Corona Formation and Loss, 1927

Размещено на Allbest.ru