Файл: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор Абрамович Б. Н. СанктПетербург 199.doc

10

пряжения промышленной частоты составит: Е = -т= 1кВ1м. При та-

V3 • 0,8

кой низкой величине напряженности электрического поля силовая дуга не образуется и линия продолжает бесперебойную работу без отключе­ния.

Однако, реализация рассмотренной конструкция встречает значи­тельные трудности при установке на опоре ЛЭП. Поэтому была предло­жена петлевая конструкция разрядника, показанная на рис. 4.3.

Петлевая конструкция разрядника (рис. 4.3 б) представляется опти­мальной по технологичности монтажа и минимизации габаритов. Стальной стержень диаметром 7^9 мм является механической основой конструкции разрядника, одновременно выполняя роль электрической подложки, передающей потенциал опоры на всю длину разрядника. Толщина изоляции из светостабилизированного полиэтилена составляет 3+4 мм, общая длина изолированной части разрядника для ВЛИ 10 кВ -

---

й






. 550 550







ь Г 1

---

ш

ОТ

Рис.4.7. Промежуточная опора ВЛИ 10 кВ с изоляторами и петлевыми разрядниками, размещенными горизонтально

суммарной длины импульсного перекрытия. Искровой канат перекрытия формируется по поверхности трубки и по поверхности изолятора. При этом длина каждого из плеч трубки

:/

3

/

6


4

5

1 - провод, 2 - изоляционная трубка, 3 - металлическая трубка, 4 - изолятор, 5 - опора, 6 - канал импульсного перекрытия.


(4.3)

Рис.4.8. Схема грозозащиты ВЛИ с последовательным соединением

/ = L - S

где: Ь - необходимая суммарная длина перекрытия;

Б - длина пути поверхностного перекрытия изолятора.

Для стандартного изолятора типа ШФ-10 Б = 20 см, при этом 1 = 60 см.

Необходимая длина изоляционной трубки:

(4.4)







где. b - длина металлической трубки на поверхности изоляции.

Длина металлической трубки находится в диапазоне 104-30 см, общая длина изоляционной трубки 130-И 50 см.

Проведенные испытания (рис.4.9) показали, что изоляционного слоя в 2,5 мм (толщина изоляции проводов типа SAX) может быть недостаточно дл

я
реализации такого решения, а толщина дополнительной изоляционной труб­ки должна составлять 2+3 мм. Для такого разрядника при длине изолирую­щей трубки 130 см, металлической трубки 10 см 50%-ные разрядные напря­жения составили Ц^о",, - 280 кВ и 1Гзо% = 205 кВ на положительной и отрица­тельной полярностях соответственно.




Рис.4.9. Испытания ДИГР с последовательным соединением Испытания импульсами U_max = 400 кВ подтвердили работоспособность такой системы (разряды замыкаются по поверхности провода и изолятора).




4.2. Изолятор с характеристиками длинно-искрового грозово­го разрядника (ИДИГР)

Как известно, обыкновенный высоковольтный опорный изолятор состо­ит из изоляционного (фарфорового) ребристого тела и металлических флан­цев, установленных по его концам для крепления изолятора к высоковольт­ному электроду и к опорной конструкции.

При грозовом перенапряжении происходит перекрытие воздушного промежутка между металлическими фланцами. Длина пути импульсного пе­рекрытия невелика и, поэтому рабочее напряжение промышленной частоты создает на канале импульсного перекрытия высокий градиент электрического поля, по действием которого канал прогревается и переходит в силовую дугу, что требует экстренного отключения высоковольтной установки, содержащей указанный изолятор.

Однако возможно разработать изолятор, который помимо выполнения своей основной функции - изоляции и поддержки высоковольтного электрода - выполнял бы также функцию грозозащитного разрядника. Принцип дейст­вия такого изолятора с характеристиками длинно-искрового грозового раз­рядника состоит в том, что в ДИГР обеспечивается весьма длинный путь раз­вития импульсного перекрытия по спиралевидной траектории вокруг изоля­тора.

Для этого внутрь изоляционного тела изолятора со спиралевидными ребрами устанавливается направляющий электрод (рис.4.10). ИДИГР вклю­чает изоляционное тело со спиралевидными ребрами, металлические фланцы, для крепления изолятора к высоковольтному проводу и к опоре и направ­ляющий электрод, который обеспечивает условия для развития скользящего разряда по поверхности изолятора.

При достаточно большом перенапряжении, приложенном к фланцам, около верхнего фланца начинает развиваться канал импульсного разряда. В обычных изоляторах (с параллельными или спиралевидными ребрами) пере­крытие развивается по кратчайшему пути по воздуху. В ИДИГР наличие на­правляющего электрода, имеющего тот же потенциал, что и нижний фланец, усиливает напряженность электрического поля на конце канала разряда и, таким образом, создает более благоприятные условия для развития скользя­щего разряда вдоль поверхности изолятора, нежели по воздуху. Благодаря







1 - изоляционное тело со спиралевидными ребрами, 2 - металлические флан­цы, 3 - провод, 4 - направляющий электрод.

Рис.4.10. Конструкция ИДИГР

спиралевидным изоляционным ребрам разряд вынужден развиваться по весьма длинной спиралевидной траектории. При этом градиент электриче­ского поля на канале перекрытия, создаваемый рабочим напряжением про­мышленной частоты недостаточен для установления силовой дуги.

Кроме того, вследствие спиралевидной траектории канала возникают электродинимические силы, приложенные к каналу разряда и направленные в сторону от вертикальной оси изолятора, т.е. растягивающие спираль канала разряда. (Аналогичные, растягивающие силы возникают в обмотке реактора при протекании по ней электрического тока.) Эти силы перемещают канал разряда в холодном (непрогретом) воздухе. Таким образом происходит ин­тенсивное охлаждение канала и увеличение его электрического сопротивле­ния. Вследствие этого, после прохождения импульсного тока грозового пере­напряжения силовая дуга от напряжения промышленной частоты не образу­ется и промышленная установка, в состав которой входит ИДИГР, может продолжать бесперебойную работу без отключения.

4.3. Оценка перемещения спиралевидного канала разряда под действием электромагнитных сил

Оценим магнитную индукцию В на оси спирального канала, используя аналогию между электрическим и магнитным полем. Например, в случае бесконечного длинного провода с током I (рис.4.11),на расстоянии Я от про­вода индукция выражается формулой:

(4.5)

а напряженность электрического поля от провода с удельным зарядом q рав­на:

Из формул (4.5) и (4.6) видна аналогия: В <-» Е, // <-» 1/я.

Благодаря указанной аналогии возможен расчет электрического поля бо­лее сложного спирального канала, а затем электрические величины Е, д и 1/е могут быть заменены на магнитные - В, I и ц соответственно.

Рассмотрим спираль, имеющую только один виток (рис.4.12). Декартовы координаты элемента спирали ёэ с зарядом ¿ц равны:

х = Я с об^; у = Яът(р\ 1 - Л(р

,




Е




Я

Рис.4.11. К аналогии между электрическим и магнитным полями

где: Я - радиус цилиндра, вокруг которого проходит спираль; ф - полярный угол;


(4.7)


<Р

А - коэффициент, характеризующий форму спирали. Напряженность электрического поля в точке М от элементарного заряда сЦ равна [55]:

ф с^Я² +А







где: г^г = с/² + г² = 4Я¹ мп² + А^г<р^г;

с!(] = (¡с1$;

Рис.4.12. К расчету электрического поля спирали.

Нормальная составляющая вектора <1Е равна:

а

с1Е„ - с1Е собу СОБа = с!Е , , (4.8)


где: соьу =

Г '

а


сова = —- 2К

Подставляя (4.7) в (4.8), получим:

/ \ иу 1 т Л Ъ111 ц „ , _Л

2/Ш² +2

²
ф

Ч

Напряженность электрического поля в точке М от всего заряда спирали определится из выражения:

Е = /«Ж» = 2¡с!Е_п{ср) = 2\аЕ_п{<р) - (4.10)

Подставляя (4.9) в (4.10), получим:

где:У=/₇ ^{51П 4}

Интеграл ] был вычислен численно и получена аппроксимирующая формула:

J = 2Me^^íл"^k, (4.12)

справедливая при 0 < к < 3 .

Подставляя (4.12) в (4.10), получим формулу для напряженности элек­трического поля

:
£ = 4^2,44^. (4.13)


2

-1,236*

4 7гаЯ ^{у 7}

Используя аналогшо между напряженностью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В, получим:

^в=л⁺п^к 2,44*-'-™*. (4.14)

Для 0 < к < 1 может быть использована другая, более простая аппрокси­мирующая формула:

у = 2,44-1,8*. (4.15)

С ее учетом формула для индукции В принимает вид:

Д = (2,44-1,8*). (4.16)

Электромагнитная сила выражается в виде:

Ъ =ВГ = £^^{2,44(4.17)

С учетом приближенной формулы для к < 1

л/1 « 1 + 0,5А², (4.18

)


и с учетом того, что к < 1 и к = А/Я, формула (4.) принимает вид:

(4.19)

Сила аэродинамического сопротивления канала при его перемещении в воздухе оценивается как:

(4.20)

dR

где: V = — - скорость перемещения канала; ш

г - радиус канала;







у - коэффициент связи между радиусом, силой аэродинамического со­противления и скоростью перемещения канала.







Уравнение движения канала определяется из равенства электромагнит­ной силы и силы сопротивления перемещению канала в воздухе:

(4.21)

Подставляя (4.19) и (4.20) в (4.21) и преобразуя уравнение, получим:

(4.22)

или

(4.23

)Проинтегрировав (4.23):

**


(4.24)


1

2 Т

2,44 М I

у г 4л

-

Преобразовав уравнение (4.24) получим формулу:

^ 3 2,44 у" /

Д>² 1Т


(4.25)


Л =

⁴ 2 \ _Г

г

где: - начальный радиус спирали канала (цилиндра изолятора);

Як - конечный радиус спирали канала;

Т - время протекания тока.

Как видно из (4.25), перемещение канала разряда тем больше, чем боль­ше ток I и время его протекания Т, причем конечный радиус спирали Я_к уве­личивается с увеличением величины тока и времени его протекания ГГ.

Для приближенной оценки перемещения канала под действием электро­магнитных сил примем радиус канала и величину тока постоянными. В таб­лице 4. Приведены результаты расчетов по формуле (4.25) при длительности протекания тока Т = 50 мс для различных значений I.

Таблица 4.1

Результаты оценки перемещения спирального канала разряда под дейст­вием электромагнитных сил

I, кА	1	2	10	20
йк, см	2,9	3,3	5,9	8,5
Д = Як - К«, см	0,4	1,8	2,4	6,0

1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

---

---

---