TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ #4 Elektrické výboje v elektroenergetice
Korónový výboj V homogenním elektrickém poli dochází k celkovému přeskoku mezi elektrodami najednou U nehomogenních uspořádání dochází k optickým a akustickým projevům částečných výbojů před celkovým přeskokem Tyto neúplné samostatné výboje jsou nazývany jako korona
Koróna a elektrická vedení Koróna na elektrických vedení vytváří činné ztráty Ztráty korónou jsou velmi závislé na okolních podmínkách (teplota, tlak, vlhkost,...) Přesný výpočet těchto ztrát je obtížný, vznikla řada postupů založených na empirických vzorcích, odvozených na základě laboratorních pokusů
Výpočet ztrát korónou Podle Peeka P = 241 r f + 25 δ D U U 0 2 10 5 kw/km kde je poměrná hustota vzduchu, f je frekvence, r je poloměr vodiče, D je osová vzdálenost vodičů, U je napětí na vodiči a U 0 je počáteční napětí koróny, kdy napětí U 0 způsobí na povrchu vodiče intenzitu el. pole: E 0 = 21,2δm 1 m 2 kv/cm Kde m 1 je činitel respektující vliv znečištění povrchu a m 2 je činitel repektující vliv počasí
Výpočet ztrát korónou Podle A.M. Zálesského Upravuje Peekův vzorec f + 65 D U U 0 2 10 4 P = 2,22 s Ln R stř kde R stř = 19 re v f U 0 = 21,1mδ 1 + cm, E v = 21,2mδ 1 + 0,301 0,301 rδ 1+230r 2 rln s r kw/km rδ kv kv/cm,
Svazkové vodiče Velikost intenzity el. pole ve vzdálenosti R od válcového vodiče lze vyjádřit jako: E = Q 1 2πεR kde předpokládáme, že náboj Q 1 je vztažen na 1m délky Elektrický potenciál je pak φ = E dr = Q 1 2πε Ln R + K
Svazkové vodiče Potenciál v bodě P uvažovaného uspořádání je součtem příspěvků potenciálů od všech vodičů φ P = Q 1 2πεn n i=1 Ln a ip + K
Svazkové vodiče Vzdálenosti a ip dostaneme z trojuhelníku o stranách r, a a ip pomocí kosinové věty a ip = r 2 + ρ 2 2rρ cos 2π n i 1 Maximální intenzita bude v bodě P E max = E P = dφ dr
Svazkové vodiče Derivovaním složené funkce dostaneme maximální velikost intenzity elektrického pole E max = Q 1 2πεn n i=1 r ρ cos 2π n r 2 + ρ 2 2rρ cos 2π n (i 1) (i 1) Dále chceme porovnat jak se změní maximální intezita el. pole svazku E S v porovnání s maximální intenzitou jednoho vodiče E V
Svazkové vodiče Budeme vycházet z předpokladu, že celkový průřez obou uspořádání je zachován nπr 2 2 S = πr V R V = R S n Stanovíme poměr mezi E S a E V E S E V = R S 2 n n i=1 r ρ cos 2π n i 1 r 2 + ρ 2 2 rρcos 2π n i 1
Svazkové vodiče Za podmínky, že r ( >>R S ) lze zjednodušit výsledný podíl na tvar: E S = 1 + (n 1)R S E V 2ρ n
Příklad závislosti ztrát korónou pro různé poloměry vodiče
Závislost ztrát korónou na vzdálenosti mezi vodiči ve svazku
Klouzavé výboje Vstupují-li siločáry elektrického pole na rozhranní dielektrik (vzuch-izolant) šikmo vytváří se podélná složka intenzity el. Pole Překročí-li velikost této složky elektrickou pevnost vzduchu dochází ke vzniku výbojů po povrchu izolantu -> klouzavé výboje
Rozvoj klouzavých výbojů u průchodky
Prostředky k omezení klouzavých Konstrukční úprava výbojů Řízením elektrického pole Kondenzátorová průchodka Odporové nátěry
Kondenzátorové průchodky Klasická průchodka Intenzita el. pole u válcového uspořádání E= U x Ln R r Maximální hodnota bude na povrchu vodiče: U E max = r + t r Ln r U t = r ere max 1
Kondenzátorové průchoky Kondenzátorová průchodka Rovnoměrné rozložení napětí E max = U t t = U E max
Odporové nátěry
Náhradní obvod K (F m) C F m 1 Pro náhradní obvod můžeme psát obvodové rovnice: I I + di = jωcdx U U V U du U = I dx jωk Úpravou dostáváme: di dx = jωc U U V a du dx = ji ωk
Řešení obvodových rovnic Derivací druhé rovnice podle x pak: d 2 U dx 2 = di j dx ωk di dx = ωk d 2 U j dx 2 Dosadíme do první rovnice: jωk d2 U dx 2 = jωc U U V a úpravou dostaneme: d 2 U dx 2 = C K U U V
Řešení obvodových rovnic Za předpokladu, že U( )=U V bude obecné řešení ve tvaru: U = Ae x C K + Be x C K + U V přičemž konstanta A musí být rovna 0. Konstantu B pak stanovíme z druhého předpokladu, že U(0)=0, pak B=-U V. Řešení pak dostaneme ve tvaru: U = U V 1 e x C K
Intenzita elektrického pole Intenzitu el. pole pak dostaneme jako: du dx = U V C K e x Nejvyšší intenzita bude v počátku tj. x=0, a je rovna: C K E 0 = U V C K
Částečné výboje Částečný výboj je lokální elektrický výboj, který částečně překlenuje izolaci mezi elektrodami, kdy zbytek izolace je schopen vydržet provozní či zkušební napětí Částečné výboje jsou obecně následkem lokální koncentrace elektrického namahání jak v izolaci samotné tak na jejím povrchu Elektrická koróna je formou částečného výboje v plynných izolantech na elektrodě vzdálené od pevného nebo kapalného dielektrika
Náhradní obvod U C3 C2 C1 C 3 U 1 C 2 C 1 Napětí na dutince U 1, lze vyjádřit jako: U 1 = C 2 C 1 + C 2 U
Zdánlivý náboj Pro jednoduchost předpokládejme nulové zhášecí napětí Při výboji v dutince klesne napětí U na hodnotu U V Z rovnosti náboje můžeme psát rovnici: C 3 + C 1C 2 C 1 + C 2 U = C 3 + C 2 U V
Zdánlivý náboj Pak napětí U V lze vyjádřit jako: U V = C 1C 2 + C 1 C 3 + C 2 C 3 C 1 + C 2 C 3 + C 2 U Označíme U 1z jako zapalovací napětí a předpokádáme, že U 1z =U 1 Pak lze výsledný vztah pro napětí U v upravit: U V = C 1C 2 + C 1 C 3 + C 2 C 3 C 2 C 3 + C 2 U 1z
Zdánlivý náboj Výboj v dutince pak vyvolá úbytek napětí U-U v U = U U V = C 1 C 3 + C 2 + C 2 C 3 + C 2 C 1 C 2 C 1 C 3 C 2 C 3 C 2 C 3 + C 2 U 1z = C 2 C 2 + C 3 U 1z
Zdánlivý náboj Zdánlivý náboj q pak můžeme vyjádřit pomocí celkové kapacity a poklesu napětí q = C 3 + C 1C 2 C 1 + C 2 U = C 2C 3 C 1 + C 2 + C 1 C 2 2 C 1 + C 2 C 2 + C 3 U 1z Za předpokladu, že (C 1 a C 2 )<<C 3 q C 3 U ; U C 2 C 3 U 1z q C 2 U 1z
Sled částečných výbojů
Sled částečných výbojů během jedné periody - nenulové zhášecí napětí
Vliv částečných výbojů na elektrickou pevnost Elektrické účinky Vývin oblouku v dutince a vysoká koncentrace elektrického pole na konci vodivé dráhy může způsobit čistě elektrický průraz Erozivní účinky Eroze stěn dutinky, postupně přecházející v průraz Chemické účinky Dlouhodobější rozklad izolantu produkty výboje Tepelné účinky Tepelná nestabilita a pokles napětí tepelného průrazu