TEHNIKA NA VISOK NAPON 1 predavawa 2012 g.

Transcript

1 FAKULTET ZA ELEKTROTEHNIKA I INFORMACISKI TEHNOLOGII SKOPJE PROF. D-R QUBOMIR NIKOLOSKI TEHNIKA NA VISOK NAPON 1 predavawa 2012 g.

2 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г ОПШТО ЗА ТЕХНИКАТА НА ВИСОК НАПОН 1.1. ВОВЕД Преносот на електричната енергија се одликува со многу високи напони, со тенденција и за натамошно зголемување. Кај нас трифазната мрежа е со највисок напон 400 kv (ефективна вредност), но во светот постојат преносни мрежи и со 500 и 765 kv. За пренос со еднонасочен напон (кај нас сè уште нема ваков напон) во светот се усвоени напони со износ ± 800 kv во однос на земјата, односно 1600 kv меѓу двата проводника. Причина за ваков пораст на работниот напон е сè поголемата потрошувачка на електричната енергија која во светски размери расте просечно годишно со стапка од 7%, и како последица на тоа се градат сè посилни извори на електрична енергија. Преносната моќ на водовите е поголема при повисоки погонски напони и затоа постои тенденција за воведување сè повисоки напони. Високиот погонски напон носи со себе многу технички проблеми кои се предмет на изучување на научната дисциплина ТЕХНИКА НА ВИСОК НАПОН. Напорите на оваа дисциплина се насочени кон изнаоѓање сè подобри изолации и изолациони конструкции, а исто така и кон одржувањето на постојната опрема која што е во погон. Опремата и апаратите од електроенергетската мрежа трајно се подложени на дејствувањето на работниот напон. Освен тоа, тие се подложени и на механички, топлински и други штетни влијанија. Затоа е присутен проблемот на т.н. стареење на изолацијата, бидејќи изолацијата со време ги губи своите првобитни добри својства. Опремата за висок напон во електроенергетскиот систем исто така може да биде подложена на зголемени електрични напрегања кои потекнуваат од самата мрежа или однадвор, од атмосферските празнења. Овие појави со заедничко име се викаат пренапони. Потребно е тие пренапони да се спречат, односно да се намалат со соодветни заштитни средства. Не е економично изолацијата на апаратите да се гради премногу цврста, бидејќи тоа би било многу скапо, и затоа таа понекогаш може да попушти, односно може да настане пробив кој дури може да ја направи изолацијата неупотреблива. Некои видови изолации, и по настанатиот пробив во нив, пак се способни за погон, бидејќи самите си ја повраќаат изолационата цврстина. Такви се гасовите и течните диелектрици. Велиме дека тоа се самообновливи изолации. Од гасовите е најзастапен воздухот, но има и други специјални гасови, како што се сулфурниот хексафлуорид SF 6, азотот N 2 и други. Од течните изолации најзастапени се изолационите масла кои може да бидат од минерално или синтетичко потекло. Најпознато е трансформаторското масло. Пробивот во цврстите изолации е поврзан со создавање канал од јагленосана материја кој е проводен, и таквата изолација, односно апарат како целина, не е способен за натамошен погон без соодветен ремонт ако таков е можен. При загадување на површината на изолаторите со прашина од природно или индустриско потекло, особено ако истовремено се изложени на влијание на влага, прескокот настанува при многу ниски напони и опремата испаѓа од погон. И овие проблеми сврзани со загадување на површината на изолацијата, се предмет на проучување во техниката на висок напон. Следењето на состојбата на изолацијата на апаратите од електроенергетскиот систем бара разни мерења и испитувања на разни физички и електрични величини, кои Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

3 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 2 со општо име се нарекуваат профилактички испитувања. Тие испитувања се вршат на база на редовност во еднакви временски растојанија (на пр. на 2 години), иако апаратот се смета за исправен. Техниката на висок напон е мултидисциплинарна област, бидејќи зафаќа проблематика која спаѓа во повеќе разни досега познати специјалности. Работата врз проблематиката, која спаѓа во техниката на висок напон, бара и значителни материјални вложувања, бидејќи се потребни разни помагала: компјутери за анализа на електричните полиња и преодните процеси, скапа лабораториска опрема, скапа теренска мерна опрема за мерења на самото место, квалификуван високостручен кадар. Се смета дека тие вложувања се исплатуваат преку зголемена сигурност на погонот на електроенергетскиот систем. При истражувањата во техниката на висок напон (скратено ТВН) се користат аналитички и експериментални методи. Експерименталните се одвиваат или на самиот ЕЕС (т.н. жива мрежа ), или во високонапонска лабораторија. Испитувањата во високонапонска лабораторија се многу ценети, бидејќи се многу блиски до реалните услови. Тоа е затоа што навистина се произведуваат високи напони и изолацијата при испитувањето го трпи нивното дејство исто како и во реалниот погон НАПРЕГАЊА ОД ЕЛЕКТРИЧНОТО ПОЛЕ Слично како во механиката, каде што проектирањето се врши врз основа на механичката јакост на материјалот и силата што дејствува врз него, и во високонапонската техника диелектрикот (изолацијата) е напрегната од сила, а тоа е електричното поле E (V/m) кое владее во таа изолација ако на електродите се приклучи висок напон. Значи, јачината на електричното поле е мерка на напрегнатоста. Апаратите за висок напон се состојат од проводници и изолација. Спроводниците ја проведуваат струјата, а изолацијата го спречува течењето на струјата на непожелните места. На спроводниците постојат електрични товари, а во просторот околу спроводниците постои електрично поле кое се опишува со една скаларна функција - функцијата на потенцијалот ϕ. Електричното поле E е векторска величина и во секоја точка од просторот има своја насока и интензитет. Електричното поле се пресметува нумерички како градиент на потенцијалната функција ϕ : E = ϕ = gradϕ каде што E е векторот на полето, ϕ е потенцијалната функција а е диференцијален оператор: grad = ix + iy + iz. x y z Тоа значи дека операцијата градиент е земање на изводи по трите координатни оски на функцијата над која се врши таа операција. Трите вектори ( ix, iy, iz ) се единичните вектори (ортови) на координатните оски. Горната формула кажува дека електричното поле е најјако таму каде што изводите на потенцијалната функција се најголеми, а насочено е во насоката на опаѓањето на потенцијалот. Нас најчесто нè интересира интензитетот (јачината) на електричното поле E, значи само модулот од E. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

4 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 3 Обично електричното поле не е секаде еднакво јако во просторот. Најинтересно е колку изнесува максималната јачина на полето E m. Се воведува и поим средно поле E sr. Средното поле меѓу два проводника кои се на растојание d е U Esr = 12 d ако напонот меѓу проводниците е U 12. Во практиката полињата обично не се секаде еднакво јаки во просторот, и постои фактор Em k = Esr кој се вика фактор на зголемување на јачината на полето (или фактор на нехомогеноста на полето). Во табелата 1.1 се дадени неколку едноставни примери. Т а б е л а 1.1 Геометриски систем Паралелни рамнини На растојание d d Јачина на електричното поле за неколку конфигурации електроди E sr E m U d U d k = 1.0 Em Esr Концентрични цилиндри so radiusi R, r R r U 12 ( R r) U 12 R r ln r ( R r) R r ln r Концентрични сфери (слика како горе) Паралелни цилиндри со еднаков дијаметар растојанија D, d r d D 2 r, U 12 U 12 R ( R r) rr ( r) U d U12 D 4r 1 D 2r( D r) cosh 2r U D 12 ln, 2r r... D >> r,... d >> r R r d d 2r ln r d >> r Еднакви сфери на растојание (слика како горе) U d 12 U U d,... d >> r d >> r d 2 r 2 r,... d За други конфигурации, при d >> r важи: k = 0,94 + 0, 8 за конфигурацијата сфера - рамнина, r d k = 0,25 + 1,0 за конфигурацијата цилиндар рамнина. r 1.3. ИСПИТНИ НАПОНИ Опремата за висок напон мора да ги издржи не само напрегањата од номиналниот напон, туку и од пренапоните. Според тоа, опремата треба да се испитува со висок напон уште за време на изработката. Постојат типски испитувања кои се подетални и на кои се подложува секој нов тип на изолациона конструкција, односно апарат. Постојат и испитувања Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

5 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 4 на секој новопроизведен апарат, а исто така и испитувања по ремонт, како и порано споменатите профилактички испитувања. Сите наброени видови испитувања, обично, не се со ист обем и содржина. Износот на напоните како и нивниот тип зависат од номиналниот напон на опремата, но и од видот на опремата. Тие подробности се дадени во националните стандарди, односно во препораките IEC (Интернационална електротехничка комисија). Кај нас порано се користеше стандардот JUS N.BO.030/78 (и сè уште се користат стандардите JUS) кој е во согласност со публикацијата IEC 71-1/1976. Во табелата 1.2 дадени се испитните напони. Т а б е л а 1.2 Испитни напони според JUS N.BO.030/78. Највисок напон на опремата (еф. вредност) kv Номинален поднослив ударен напон (темена вредност) kv Група 1 Група 2 Едноминутен поднослив напон со индустриска фреквенција (еф. вред.) kv 3, , , или или 230 Табелата 1.2 во стандардот продолжува и за повисоки напони. Стандардите ги пропишуваат и испитната постапка и мерењето. Поважни видови испитни напони се следните: Испитни напони со индустриска фреквенција (50 Hz). Со овие напони апаратите се испитуваат со цел да се провери нивната способност да го издржат напонот со индустриска фреквенција на кој трајно се подложени (работниот напон). Се испитува во траење од една минута. За опремата наменета за внатрешна монтажа се врши само испитување на суво, додека опремата наменета за надворешна монтажа се испитува под строго пропишан вештачки дожд. Испитни ударни (импулсни) напони. Ударите на молњата во преносните водови или во нивната близина предизвикуваат пренапони со стрмен пораст и кусо траење. Тие патуваат во вид на бранови по водовите и можат да ја загрозат изолацијата на опремата, бидејќи понекогаш имаат многу големи амплитуди. Затоа опремата се испитува и со стандардни ударни (импулсни) напони, кои ја постигнуваат темената вредност за околу 1,2 μs, а опаѓаат до половината од амлитудата за 50 μs. Овие напони имаат апериодичен карактер. Еднонасочни напони се употребуваат за испитување на објекти (опрема) кои имаат голем капацитет и како такви би повлекле многу голема струја ако се испитуваат со наизменичен напон. Тие се користат и при испитување на опрема наменета за работа на еднонасочен напон. Освен горенаведените видови напони, кои се најважни за испитување, постојат и други. На пример, постојат и испитни комутациони напони кои ги имитираат пренапоните кои настануваат при разни вклучувања и исклучувања во високонапонската енергетска мрежа. Постојат и високи напони со зголемена фреквенција. Од друга страна, пак, заштитните уреди од атмосферски пренапони (одводниците) се испитуваат со големи ударни струи. И оваа проблематика се третира во техниката на висок напон ДОБИВАЊЕ ВИСОК НАИЗМЕНИЧЕН НАПОН СО ИНДУСТРИСКА ФРЕКВЕНЦИЈА Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

6 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г Испитен трансформатор Со испитниот трансформатор се добиваат високи наизменични напони со индустриска фреквенција. Во принцип тој се состои од истите главни делови како и енергетскиот трансформатор, а тоа е примарна и секундарна намотка и магнетно железно јадро. Но сепак, тоа е специфичен трансформатор, што се огледа во следното Испитниот трансформатор не смее додатно да го изобличува напонот кој го добива на примарот. За таа цел магнетното јадро е димензионирано побогато, т.е. со помало заситување. Напонот на куса врска не смее да биде многу голем. Во спротивно настануваат непожелни појави, од кои поважна е следната. Ако ја посматраме сликата 2.3, каде што X е реактансата на куса врска, C i е капацитетот на испитуваниот објект и U 0 е напонот приложен на нисконапонската намотка но пресметан на високонапонска страна, на C i добиваме испитен напон U isp кој е поголем од U o : U ( 1 ωc ), 0 = ΔU + U isp = jx I C + U isp = jxjωciu isp + U isp = U isp i X бидејќи е IC = jω Ci U isp и врз основа на сл. 2.3.б Uisp = U 0 + XIC = U 0 + ΔU. X I c I c C i U 0 ΔU U 0 Δ U U isp Δ U = jx I c U isp а) б) Сл Еквивалентна шема и фазорски дијаграм на испитниот трансформатор оптоварен со капацитатативен товар. а шема, б фазорски дијаграм Ова значи дека напонот на C i е поголем од напонот во празен од без капацитивно оптоварување поради падот на напонот на индуктивитетот на растурање (индуктивитетот на куса врска) X. Последица на ова е што, ако сакаме точно да го знаеме напонот на високонапонската страна, мораме да имаме директно мерење на висок напон, а не да го пресметуваме од напонот на нисконапонската страна помножен со преносниот однос на трансформаторот. Некои испитувања ќе доведат и до пробој на објектот. Струјата на кратка врска Uisp I k = X зависи од реактансата X, па пожелно е I k да не биде многу мала (не помала од 0,3 А). Поточно е да се каже дека во X влегува и реактансата на куса врска на регулациониот елемент (трансформатор) преку кој се напојува испитниот трансформатор. При пробои во испитниот објект или на друг елемент во високонапонското коло (на пр. мерното искриште) настанува преоден процес и пренапон. Испитниот трансформатор треба да е така конструиран, што неговата изолација ова да го издржи. Испитниот трансформатор треба да е конструиран така што да биде способен да ја издржи силата на куса врска која често се појавува. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

7 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 6 Испитниот трансформатор не смее да има голем интензитет на т.н. парцијални празнења (за овој поим повеќе во понатамошниот текст), за да и самиот не настрада, а и да не биде извор на пречки при мерењето на парцијалните празнења кај други објекти. Бидејќи испитниот трансформатор се користи при разни испитни напони, од ниски па сè до номиналниот, тој по правило номиналната моќност ја постига при најголем напон, Pmax = U isp, max I c Пожелно е да дава номинална моќност и при пониски испитни напони. Ова се постига ако трансформаторот се изведе со повеќе намотки, со можност за преврзување. Моќноста (капацитивна) која е потребна при испитувањето е 2 SC = ICU isp = ωciu isp. За да си создадеме претстава колкава моќност е потребна, ќе разгледаме еден пример. Нека објектот заедно со паразитните капацитети има C i = 1000 pf. Ова е релативно мал капацитет. Тогаш важат следните односи: U isp = kv S c = 3,14 12,55 78,5 314 kva Треба да се смета со тежина на испитаниот трансфоматор од околу 20 килограми по киловолтампер, а исто толку и на регулациониот елемент. Друго решение е лабораторијата да располага со разни испитни трансформатори со доволна моќност, но со разни номинални напони Изведба и видови на испитните трансформатори Вообичаени се два вида изведби: Цилиндрична изведба, каде што активниот дел е сместен во изолационен цилиндар и потопен во трансформаторско масло. Тогаш не треба воведен изолатор. Ова е едноставна и поевтина изведба, но нејзин недостаток е што ладењето е отежнато трансформаторот треба да работи во интермитиран режим, со прекини, за да не се прегрее. Котелска изведба, каде што активниот дел е сместен во железен казан, слично како кај енергетските трансформатори. Изводот за висок напон е изведен со помош на воведен изолатор. Котелот може да има ребра за ладење, па од ваквата изведба може да се црпи поголема моќност. Казанот е залеан со трансформаторско масло како и кај претходниот тип. Ова е поскапа изведба. Јадрото на трансформаторот обично е затворено и има два столба и два јарема. Намотките имаат голем преносен однос. Примарниот напон е 220, 380 или 500 V, а секундарниот е 50, 100, 200, 300 или 400 kv. Ретко се градат трансформатори за повисок секундарен напон. Ако испитниот трансформатор е предвиден за врзување во каскадна врска (за каскадната врска види потаму), тој треба да има терциерна намотка. Терциерната намотка може да биде сврзана со секундарната и во штеден спој (како автотрансформатор). Јадрото на трансформаторот може да биде заземјено, или пак да биде сврзано на средината од високонапонската намотка. При вториов начин се штеди на внатрешната изолација, односно таа се заменува со поевтина надворешна изолација. Ако таков трансформатор е во железен котел, а котелот е на истиот потенцијал како и јадрото, тој мора да биде изолиран од земјата. На сликата 2.4 се дадени шемите и силуетите на испитните трансформатори. На сл. 2.5 се дадени изведби на испитни трансформатори. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

8 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 7 J U u 2 V u 1 v 1 T P v 2 S k V u 1 v 1 a) U u 2 v 2 V u 1 v 1 b) U u 2 v 2 R u 1 v 1 V P J S T U u 2 v 2 V u 1 v 1 a) U u 2 v 2 Сл Шеми (лево) и силуети (десно) на испитни трансформатори: горе: јадро на потенцијал 1/2U 2 ; долу: јадро на низок потенцијал; k котел, J јадро, R радијатор, а) цилиндрична изведба, б) котелска изведба, P примарна намотка, S секундарна намотка, T терциерна намотка, U, V изводи на високонап. намотка, u, v изводи на нисконапоинска намотка; проводник: ; изолација: V u 1 v 1 U u 2 v 2 b) R а) б) Сл а) Испитен трансформатор во котелска изведба со вградени придушници за компензација на реактивната моќност ( 330 kv; kva; Siemens); б) двостепена каскада за 666 kv; котелска изведба, Siemens Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

9 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 8 Каскадна врска. Се применува за добивање на многу високи наизменични напони. Како што е погоре речено, поединечните испитни трансформатори не се прават за напони поголеми од 400 kv од економски причини. Каскадната врска претставува сериско сврзување на повеќе (најчесто до три) трансформатори. На сликата 2.6 е дадена каскада од три трансформатори. Сл Каскадна врска на три испитни трансформатори B C A 3U P T S U 2U Првиот и вториот трансформатор имаат примарна (P), секундарна (S) и терциерна намотка (Т) која служи за напојување на следниот степен и која во нашиов случај е изведена во штеден спој (но тоа може да биде и посебна, одвоена намотка, како на сл. 2.4.). Сите секундари (високонапонски намотки) се сврзани сериски. Првиот секундар е заземјен. Напоните во секундарите на секој степен се во фаза и се собираат. Во општ случај, при n сериски сврзани степени, вкупниот напон е U isp = nu. Велиме приближно, бидејќи падот на напонот на одделните степени не е еднаков и горната равенка вреди само приближно. Котелот на трансформаторот А е заземјен. Котелот на трансформаторот B е подигнат на потенцијал U, а котелот на трансформаторот C на 2U, па според тоа треба соодветно да биде изолиран во однос на земјата. Тоа е евтина и едноставна изолација со потпорни изолатори. Изведбата на каскадата може да биде и во еден единствен столб. Ова е илустрирано на сликата 2.7, каде што е претставена една двостепена каскада во цилиндрична изведба. 2U U 2U 3/2U 1/2U 3U 5/2U 3/2U 1/2U 3U 2U 2U 2U U U U U U Sл Вертикална изведба на каскада: горе: секоја каскада во еден цилиндар; долу: секој степен во е секој степен во еден посебен цилиндар Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

10 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г МЕРЕЊА ВО ЛАБОРАТОРИЈА ЗА ВИСОК НАПОН ВОВЕД Непосредно сврзани со испитувањата се и мерењата. Мерните уреди и постапки во многу нешта се разликуваат од оние во погонските мерења во електроенергетскиот систем. Обично напонот е величина која најчесто се мери, а особено неговата темена вредност, а понекогаш се регистрира и обликот. Но, се мерат и низа други физички величини. Подрачјето (распонот) на вредности од иста величина понекогаш е многу големо. Се мерат големи амплитуди на напон од редот на милиони волти, но и мали, од редот на миливолти, па и микроволти. Слично е и со струите. И различниот фреквентен појас, кој се движи од 0 Hz до стотици MHz, ја усложнува задачата. Ние главно ќе се задржиме на мерењето на напонот, но и тука само на она што е специфично за техниката на висок напон. Мерењата на напон можат да бидат непосредни (директни) и посредни (индиректни). При непосредните уредот за мерење се приклучува директно на електродите на кои владее напонот, а при посредните се приклучува преку некој уред кој врши приспособување намалување на мерениот напон до износ кој може да се мери МЕРЕЊЕ НА ВИСОКИ НАПОНИ СО СФЕРНО (ТОПЧЕСТО) ИСКРИШТЕ Сферното искриште спаѓа во уредите за непосредно мерење на високите напони. Тоа се состои од две метални топки со еднаков дијаметар поставени на извесно растојание. Принципот на неговата работа е заснован врз фактот што при даден дијаметар и растојание на топките доаѓа, до прескок секогаш при ист напон (во практиката постои мало отстапување, односно несигурност на прескочните напони). Топките се прават од бакар или бакарна легура и пропишано е колку смеат да отстапуваат од идеална сфера. При мерењата мора да бидат чисти, т.е. без прашина, капки вода и слично. Топките може да бидат поставени или вертикално или хоризонтално. Ако се поставени хоризонтално, може да се мерат и симетрични и несиметрични напони во однос на земјата. Ако се поставени вертикално, се мерат само несиметричните напони. Мерењето со сферно искриште е пропишано со прописи. На пример, таков е прописот JUS N.A5.510, кој кај нас долго се користеше. Кај вертикалната изведба само горната сфера е изолирана од земјата, а долната е заземјена. Кај хоризонталната изведба двете сфери се поставени на изолациони носачи. На сликата 3.1а и б се претставени двете изведби со дозволениот начин на приклучување и со допуштените димензии на држачите и растојанијата до други делови соседни на искриштето, според прописот. Трети тела, особено метални заземјени предмети, треба да се подалеку од сферите, бидејќи тие ја нарушуваат распределбата на електричното поле и влијаат на прескочниот напон, а со тоа и на точноста на мерењето. Затоа е пропишана минимална оддалеченост изразена преку дијаметарот на сферите, во која не смее да има страни тела. Бидејќи мерениот напон зависи од растојанието меѓу сферите s, особено е важен механизмот за менување на тоа растојание, како и неговото точно отчитување. Кај малите искришта тоа е микрометарски винт, а кај големите еден вид саатен механизам. Кај големите искришта растојанието меѓу сферите обично се менува далечински од командниот пулт преку сервомотор вграден во едниот држач. Отчитувањето на растојанието е двојно: и на командниот пулт и на подножјето на искриштето кадешто се наоѓа голем бројченик кој се гледа оддалеку. Ова придонесува за удобност во работата. Точноста (несигурноста) при мерењето на наизменични и ударни напони е ± 3 %, ако притоа растојанието меѓу сферите s се менува од 0,05 до 0,5 D (D е дијаметарот на сферите). Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

11 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 10 При мерење на еднонасочни напони несигурноста е ± 5 %, ако растојанието s се движи во рамките од 0,05 до 0,4 D. Од тоа произлегува дека лабораторијата за висок напон треба да располага со поголем број искришта со различен дијаметар на сферите, ако сакаме да се покрие поширок дијапазон на мерени напони. Стандардни дијаметри на сферите се: 2; 5; 6,25; 10; 12,5; 15; 25; 50; 75; 150; 200 сантиметри. Приближно може да се каже дека максималната висина на мерениот напон со едно сферно искриште изразена во киловолти изнесува колку дијаметарот на сферите во милиметри. priklu~ok R izolirano besewe grani~na povr{ina za vrska 2D s D D radius na pribli`uvawe servomehanizam а) s 2D D D R mikrometarski vint radius na pribli`uvawe б) Сл Мерно сферно искриште. а) вертикална, б) хоризонтална изведба Прескочните напони за секој дијаметар и растојание се дадени во стандардизирани таблици (таб. 3.1) или дијаграми добиени како резултат на долгогодишно искуство во многу лаборатории. Постојат две таблици. Од нив едната важи за наизменичен напон (темена вредност), еднонасочен и негативен ударен напон (темена вредност). За позитивен ударен напон постои друга таблица во која прескочните напони за даден дијаметар и растојание се нешто Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

12 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 11 поголеми. Подолу е даден извадок од таблиците, само за некои стандардни дијаметри на сферите. Прескочниот напон во воздух зависи од густината на воздухот. За ова секогаш треба да се води сметка. Густината на воздухот, пак, од своја страна зависи од притисокот и од температурата. Стандардните таблици важат за релативна густина на воздухот δ = 1, која важи при притисок b = 1013 mbar (= 101,3 kpa) и температура θ = 20 о C. Ако при извршеното мерење не владеел притисок b = 1013 mbar и температура θ = 20 о C, тогаш релативната густина се пресметува по формулата: b b δ = = 0, θ θ b To Општо е δ = (b е во милибари). b T o Ако се добие мало отстапување на δ од единица, а имено, 0,95 < δ > 1,05, тогаш прескочниот напон при тие услови е Uδ = δu n ако со U n го означиме прескочниот напон од таблицата при стандардни услови и δ = 1, значи U n = U δ =1. Ако δ отстапува уште повеќе, тогаш поправката се врши со множење со факторот k( δ ) на следниот начин: а k( δ ) се зема од долната таблица: ( δ ) Un Uδ = k, δ 0,7 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,0 1,05 1,1 1,15 k( δ ) 0,72 0,77 0,81 0,86 0,91 0,95 1,0 1,05 1,09 1,13 Влажноста на воздухот не врши битно влијание врз прескочните напони, доколку не настапи росење на сферите, што не е дозволено. Т а б е л а 3.1 Прескочни напони за различни дијаметри и растојание на сферите Растојание, S Дијаметар, D (cm) 5 12,5 50 cm а б а б а б 0,20 8,0 0,25 9,6 0,30 11,2 11,2 0,40 14,3 14,3 0,50 17,4 17,4 16,8 16,8 0,60 20,4 20,4 19,9 19,9 0,70 23,4 23,4 23,0 23,0 0,80 26,3 26,3 26,0 26,0 0,90 29,2 29,2 28,9 28,9 1,0 32,0 32,0 31,7 31,7 1,2 37,6 37,8 37,4 37,4 1,4 42,9 43,3 42,9 42,9 1,5 45,5 46,2 45,5 45,5 Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

13 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 12 Растојание, S Дијаметар, D (cm) 5 12,5 50 cm а б а б а б 1,6 48,1 49,0 48,1 48,1 1,8 53,0 54,5 53,5 53,5 2,0 57,5 59,5 59,0 59, ,2 61,5 64,0 64,5 64,5 64,5 64,5 2,4 65, ,0 70,0 70,0 70,0 2,6 (69,0) (73) 75,0 75,5 75,5 75,5 2,8 (72,5) (77,0) 80,0 80,5 81,0 81,0 3,0 (75,5) (81,0) 85,5 85,5 86,6 86,6 3,5 (82,5) (90,0) 97,0 98,0 99,0 99,0 4,0 (88,5) (97,5) , , , , ,5 (154) (164) ,0 (161) (173) ,5 (168) (181) ,0 (174) (189) ,0 (185) (203) (195) (215) (540) (570) 28 (565) (595) 30 (585) (620) 32 (605) (640) 34 (625) (660) 36 (640) (680) 38 (655) (700) 40 (670) (715) Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

14 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 13 Појаснување на табелата: Ова се прескочни напони (темена вредност во kv) при еднополно заземјенно сферно искриште во завиосност од растојанието s (во cm) при даден дијаметар D на сферите (во cm) при 20 о C и 1013 mbar (= 760 Torr). Колоната а важи за наизменични напони, позитивни и негативни еднонасочни напони и негативни ударни напони, колоната б важи за позитивни ударни напони. На сликата 3.2 е прикажана местоположбата на мерното искриште во едно високонапонско испитно коло. Меѓу деловите под напон чиј напон се мери, и самото искриште, е вклучен отпорот R. Неговата улога е повеќекратна. При мерењето на еднонасочен и наизменичен напон, тој ја ограничува струјата по прескокот, а со тоа и ерозијата на површините на сферите од страна на електричниот лак. Освен тоа, тој ги придушува и осцилациите на напонот при прескокот, кои би довеле до грешка во мерењето. Износот на овој отпор при еднонасочни и наизменични напони е 1 kω/kv или блиску до оваа вредност. R K Сл Местоположба на сферното искриште во испитното коло. 1 извор на висок напон, 2 испитен објект, 3 делител на напон, R заштитен отпор, К мерното сферно искриште При мерењето на ударен напон се зема помала вредност на овој отпор, обично 500 Ω. Отпорот во овој случај мора да биде безиндуктивно намотан. Сега улогата на овој отпор е да ги придуши непожелните осцилации во јамката која ја создава искриштето со доводните водови (јамката има свој индуктивитет кој е неизбежен и зависи од големината на јамката, а искриштето претставува капацитет). Исто така тој ја ублажува стрмнината на отсечениот напон при прескок на искриштето, бидејќи големата стрмнина е штетна за испитуваниот објект. Сопствената временска константа на искриштето како капацитет заедно со предотпорот треба да е мала во однос на челото на ударниот напон. Исто така, ако наизменичниот напон кој се мери е со повисока фреквенција од 1000 Hz, отпорот R и капацитетот на искриштето сочинуваат еден фреквентно зависен делител. Ова може да ја наруши коректноста на мерењето. За ова треба да се води сметка при повисоки фреквенции и предотпорот треба соодветно да се намали. Мерењето со сферно искриште се врши на два можни начина: 1. Напонот кој треба да се мери е зададен, но не е познат. На почетокот искриштето се поставува на растојание поголемо од очекуваниот износ на мерениот напон. Потоа напонот се приложува, а растојанието на сферите полека се намалува (1% од дијаметарот во секунда) сè додека не настапи прескок и притоа движењето на сферите се запира. Висината на напонот се утврдува на основа на растојанието при кое дошло до прескокот, водејќи притоа сметка и за густината на воздухот. 2. Задача е изворот за висок напон да се нагоди да дава напон со одредена темена вредност. Прво се наместува растојанието на сферите така (водејќи сметка за густината на воздухот) што до прескок би дошло токму на саканиот напон. Потоа се вклучува напојувањето и полека (не порано од 30 секунди) се подига сè до пробојот. При пробојот е постигнат саканиот напон. Истовремено се следи покажувањето на инструментите кои мерат на индиректен начин. Бидејќи прескочниот напон има некое статистичко растурање, при мерењето на еднонасочни и наизменични напони постапката се повторува најмалку 3 пати, а потоа се зема средна вредност. Ако пак е во прашање ударен напон, се бара т.н. 50% прескочен напон (педесетпроцентен прескочен напон). Тоа е напон при кој во една серија од 10 удари кои сите имаат иста темена вредност, 5 успеваат да го прескокнат даденото растојание (или 50% од вкупниот број удари). Оваа специфичност кај ударниот напон е поради еднократноста и краткотрајноста на појавата и статистичкото растурање на вредностите на прескочниот напон. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

15 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 14 Сл Мерно сферно искриште со сфери од 750 mm дијаметар, Haefely Во практиката при мерењето на ударни напони се врши интерполација меѓу две вредности на напонот (или растојанието) од кои едното растојание дава 4 до 6 прескоци. При мерење на напони со темена вредност помала од 50 kv со сфери од сите големини, а во секој случај при сфери со дијаметар помал од 12,5 cm, потребно е озрачување на сферното искриште. Со тоа се намалува растурањето на измерените вредности. Тоа може да се оствари на разни начини: - со радиоактивен препарат, сместен во сферата која се доведува под напон, - со кварцна ламба со живини пареи, која зрачи ултравиолетови зраци и е поставена на одредено растојание од искриштето, така што нејзината светлина да паѓа врз точката на прескокот. Предноста на сферното искриште во однос на индиректниот начин на мерење преку делител на напон е во неговата едноставност и очигледност, која не дозволува да се јават скриени грешки. Кај другите мерни системи преку делител (индиректни), кои содржат сложени електронски уреди, можни се и скриени грешки, неисправност и сл. Ако се запазат ограничувањата содржани во стандардите, мерното сферно искриште може да го изработи било која подобро опремена машинска работилница. Недостатоците на сферното искриште се состојат пред сè, во тоа што по проработувањето настанува слом на испитниот напон и исклучување на изворот на напојување. Ова мерење спаѓа во т.н. деструктивни мерења, при што со самото мерење се уништува мерената величина. Исто така, недостаток е и тоа што немаме можност да го следиме обликот на мерената величина во функција од времето. Сферното мерно искриште е инвентар на секоја високонапонска лабораторија, иако мерните системи кои работат индиректно се далеку поточни. Недостатоците ја ограничуваат неговата употреба, главно, за проверка и баждарење на другите мерни уреди. Баждарењето и проверката се вршат пред да се пристапи кон самото испитување. Се проверува и правилната поставеност на испитниот напон. На сл. 3.3 претставена е вертикална изведба на мерно сферно искриште. Бидејќи врз обликот на испитниот напон и врз условите на неговото добивање влијаат сите елементи на испитното коло, баждарењето на мерните уреди (3 на сл. 3.2) се врши со приклучен испитуван објект. За да испитуваниот објект не се оштети при бројните проби, баждарењето се спроведува со снижен напон (до 80 %) во однос на испитниот. Ако се сомневаме дека зависноста е линеарна, баждарењето се спроведува при неколку снижени вредности на напонот. При самото испитување, пак, искриштето може да се користи како заштитно растојание, ако се постави на растојание од, на пр., (5 10)% поголемо одошто одговара на испитниот напон. Со тоа ќе се спречи случајно несакано подигање на испитниот напон над пропишаната вредност ПОСРЕДНО (ИНДИРЕКТНО) МЕРЕЊЕ НА ВИСОКИТЕ НАПОНИ Инструментите кои служат за мерење на амплитудата и обликот на високиот напон се прават за ниски напони во границите од 100 до 2000 V. Затоа се јавува потреба високиот напон, Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

16 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 15 кој треба да се мери, да се приспособи, односно да се намали до таква вредност. Тоа се постига со таканаречени делители на напон. Има и друг принцип на мерење, но тој може да се примени само кај некои видови висок напон. Тоа е мерење со предотпор. Принципиелните шеми на двата вида мерење се прикажани на сликата 3.4. I Z Z I Z M M Сл Принцип на мерење високи напони: лево со делител на напон; десно со предотпор; MI мерен инструмент; Z 1, Z 2, Z во општ случај импеданси Делители на напон Од делителите на напон се очекува да имаат т.н. константен преносен однос, u 1 u2 u t и верно да ја пренесуваат влезната величина (напон) u 1 во u 2, т.е. ( ) функција од време како u1 ( t), но соодветно намалена., но 2 треба да биде иста Проблематиката на делителот на напон сега ќе ја разгледаме поопшто слика 3.5. Таму гледаме општ начин на приклучување на еден делител на напон со соодветни мерни уреди во високонапонското испитно коло. 1 u 1 2 A 3 V R 4 Z 5 6 Z 1 Z MK u 2 B u 2 Z 2 Z p Z p M Сл Најопшт изглед на мерното коло со делител на напон за мерење на високи напони Идеално би било преносниот однос да биде дефиниран само со Z 1 и Z 2, т.е. u u 1 2 = ( Z + Z ) 1 2 Z 2. Во практиката, меѓутоа, на ова влијаат сите елементи прикажани на сликата. Освен тоа, самиот делител не смее да има силно повратно дејство на изворот за висок напон. Со ова мислиме дека присуството на делителот не смее да ги менува обликот или амплитудата на мерениот напон. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

17 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 16 Приклучниот доводен вод V во точката А, каде што го имаме мерениот напон, повеќе или помалку може да влијае со својот бранов отпор (време на простирање), но сепак е неизбежен. Често е потребен придушниот отпор R p кој служи да ги придуши осцилаторните појави во мерното коло. (Мерно коло се сите елементи меѓу точките А и B.) Самиот делител се состои од две импеданси: високонапонската Z 1 и нисконапонската Z 2. Тие во практиката можат да бидат изведени како чисти отпори, чисти капацитети, или, пак, некоја комбинација од капацитети и отпори. Според карактерот на тие импеданси, и делителите носат соодветнио име, на пример: отпорни, капацитивни или мешовити. Падот на напон на Z 2 е оној кој натаму се користи за посредното мерење, т.е. се води до мерниот инструмент (MI). Целиот делител, во зависност од номиналниот напон, може да има и големи димензии (има форма на висок столб) Висината, всушност, е диктирана од висината на Z 1. Речиси редовно на него се наоѓаат екраните Z, кои имаат облик на торус или сфера и служат да обезбедат рамномерна распределба на потенцијалот долж столбот на делителот, односно хомогено електрично поле. На тој начин тие ги спречуваат штетните доземни капацитети спрема земјата или ѕидовите на лабораторијата. Бидејќи самиот делител се наоѓа во оградениот високонапонски простор, подалеку од командниот пулт каде што се наоѓаат мерните инструменти (MI), неопходно е постоењето на врската MK, односно мерен кабел кој има поголема или помала должина. И мерниот кабел може да има влијание на точноста на мерењето со својот бранов отпор, активен отпор или капацитет. За спречување на рефлексии од краевите на кабелот потребни се импедансите за приспособување Z p1 и Z p2, кои, обично, се изведуваат како активни отпори, како R-C или R-L- C-шеми. Износот на отпорот им е еднаков на брановиот отпор на кабелот, на пр. 75 Ω. Сите три елементи, Z p1, MK, Z p2 можат да влијаат врз преносниот однос, што треба да се земе предвид. Накусо можеме да кажеме дека на преносниот однос, а со тоа и на точноста на мерењето, влијаат сите елементи меѓу точките А и B. И други фактори влијаат на мерењето и на неговата точност. Индуктивитетот на јамката на висок напон V Rp Z1 Z2 земја често е неизбежен, иако со оптимизација на растојанијата може да се намали до извесни граници. Индуктивитетот на секундарната јамка Z2 Zp1 MK Zp2 земја најдобро се намалува ако се користи коаксијален кабел кој максимално ја намалува јамката. Често е пожелно кабелот додатно да се оклопи со полагање во железна цевка. Потребно е да напоменеме дека сите овие фактори не се секогаш еднакво важни. Нивната важност најмногу зависи од тоа каков напон се мери дали еднонасочен, наизменичен, комутационен или атмосферски импулс. Потешки се проблемите при мерењето на брзопроменливите појави. Во таков случај присутни се сите елементи прикажани на сликата 3.5, односно важи сè она што е кажано досега. Од изложеното се гледа дека делителот заедно со приборот, мерните кабли, импедансите за приспособување и мерниот инструмент, всушност, претставуваат една целина која често се добива од производителот, добро нагодена и баждарена. Ако сакаме да ја провереме функционалноста и точноста на системот, за тоа постојат посебни методи и уреди, а спомнавме дека проверка може да се изврши и со помош на сферното мерно искриште. Во врска со делителот на напон веќе го спомнавме поимот преносен однос, притоа подразбирајќи дека тоа е некоја константа број со кој треба да го множиме влезниот напон за да го добиеме излезниот (или обратно). Но тоа не е сосема егзактно. Кај временски брзопроменливите појави настанува изобличување на напонот по патот од А до B (макар што се трудиме ова изобличување да е што помало), па напонот u B, не е верна слика на напонот u A, односно и самиот преносен однос е една функција од времето. За да овој факт се посматра поегзактно математички и за да се оценат преносните способности на еден мерен систем врз база на делител, воведуваме нови поими. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

18 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 17 Единичен одѕив. Ако во точката А наместо мерениот напон уфрлиме единична или т.н. Хевисајдова функција, според сликата 3.6, во точката B ќе се добие еден напон кој го викаме единичен одѕив (сл. 3.6б), кој по облик отстапува од единична функција. 1 u A v(t) 1 A T 1 T 2 T3 B t t Ако одѕивот u ( t) а) б) Сл Побуда со Хевисајдова функција и единичен одѕив; а Хевисајдова (отскочна единична) функција; б единичен одѕив. 2 го поделиме со одѕивот при t =, тогаш добиената функција u2 () t vt () = u2 ( ) ќе биде бездимензионална функција која во t = исто така се стреми кон вредноста 1 (сл. 3.6б). Шрафираните површини сега имаат димензија на време. Функцијата vt () толку повеќе ќе се приближува кон единична отскочна функција (а тоа значи излезната функција u2 () t ќе се приближува по облик кон влезната u1 ( t) = ua ( t) = h( t) ), ако величината T = T r T + T T , која се нарекува време на одѕивот, има што помала вредност. Таа се користи и како мерка на квалитетот на мерниот систем за мерење на брзопроменливи појави. Но, понекогаш времето на одѕив не е доволен критериум за квалитетот на еден мерен систем. Така, ако T 2 е големо, може времето на одѕивот да биде мало, дури и 0, а сепак преносните особини да не се добри, односнио делителот да има осцилаторен одѕив. Затоа, односот A/B додатно се пропишува (сл. 3.6б) и, на пример, се бара да не е поголем од 5%. Време на пораст е исто така мерка за квалитет на мерниот систем. Тоа е времето за кое функцијата v(t) пораснува од 0,1 до 0,9. Колку е ова време помало, толку е делителот (односно мерниот систем) подобар. Кај квалитетните системи се споменува вредност од редот на наносекунди. Освен единичниот одѕив, како мерка за квалитетот често се користи и фреквентниот одѕив. Тој се одредува на експериментален начин така што во точката А се приклучува синусоидален напон со амплитуда која ќе ја сметаме за единична и чијашто фреквенција може да се менува. Се мери амплитудата на напонот во точката B. Односот на овие амплитуди треба да е константен во фреквентниот појас за кој е предвиден делителот. Во реалноста тоа не се постигнува целосно. При разни фреквенции тој однос може нешто и да се промени. Велиме дека постои придушување. Фреквентниот појас во кој делителот ги пренесува без придушување или со допуштено мало придушување синусоидалните напони се дава во единици MHz. Колку фреквентниот е појас поширок, толку делителот е поквалитетен. Видовме дека високите напони кои треба да ги мериме се различни по облик. Познато е од хармониската анализа дека секој облик на напон може да се разложи на хармоници со различни фреквентни опсези (појаси). Така, еднонасочниот напон има фреквентен појас 0 Hz. Наизменичниот напон со индустриска фреквенција има фиксна фреквенција од 50 Hz, а содржи и надбранови или виши хармонични компоненти, а сепак има тесен фреквентен појас. Комутационите пренапони имаат фреквентен појас од околу 2 khz. Ударните напони 1,2/50 имаат фреквентен појас 200 khz. На чело пресечените бранови имаат најширок фреквентен појас приближно 10 MHz. Затоа тие и најтешко исправно се мерат. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

19 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 18 Вака големите разлики во фреквентниот појас доведуваат до тоа што е најдобро секој вид напон да се мери со соодветни специјализирани делители. Освен тоа, делителите се разликуваат и според највисокиот дозволен напон кој можат да го мерат. Во натамошниот текст ќе ги наведеме само најважните видови делители и нивното подрачје на примена (сл. 3.7). а) б) в) г) д) R 1 /n nc 1 C 1 R 1 R 1 R 1 C 1 R 1 /n nc 1 C 1 R 1 /n nc 1 R 2 R 2 R 2 C 1 R 2 C 2 C 2 C 2 Сл Разни типови делители на напон. а омски, b мешовит (принцип), c мешовит, развиена шема, d капацитивен и е капацитивен придушен. Омски делители на напон може да се применат за мерење на високи еднонасочни и за високи ударни напони. Ако се мерат високи еднонасочни напони, тогаш омските делители имаат многу висок омски отпор, од редот на 1 МΩ/kV. Струјата низ нив е многу мала. Ова е потребно, бидејќи изворите на висок еднонасочен напон, како што видовме, не смеат многу да се оптоваруваат. Преносниот однос на чисто омски делител е број и изнесува u1 ( R1 + R2) =. u R 2 2 Кај овој тип делители не треба да се оди во крајност со многу високи отпори, затоа што би се јавиле големи грешки поради струите низ изолационите држачи на кои се прицврстени отпорите, бидејќи во ваков случај работните отпори по својот износ се приближуваат кон изолационите отпори. Мешани делители (според сл. 3.7б) се состојат од паралелна врска на отпори и капацитети. (Горните елементи R 1 и C 1 од сликата кај сите шеми треба да се сфатат како сериска врска на многу такви единици.) Со овие делители може да се мерат како еднонасочни, така и наизменични напони, но и побрзопроменливи појави од видот на комутациони пренапони. Анализата покажува дека идеални преносни карактеристики се добиваат ако е исполнет условот CR CR =, при што во R 2 и C 2 треба да се внесат и капацитетот на кабелот на нисконапонската страна и завршниот отпор со кој кабелот се затвора. Отпорен делител со мал отпор (до околу 20 kω ) се употребува за мерење на ударни напони 1,2/50. Малиот отпор овозможува делителот да има мало време на одѕив, но сепак отпорот не смее да биде толку мал за да ја наруши работата на ударниот генератор. Со цел да се придушат осцилациите од сопствениот индуктивитет на самиот делител, како и на јамката на висок напон која ја сочинуваат доводниот вод, делителот и земјата, овој делител има на влезот придушен отпор од околу R p = 200 Ω. Мери и отсечени бранови, ако не се поголемио од 10 6 V. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

20 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 19 Капацитивен делител (според сликата 3.7г) на прв поглед изгледа дека е фреквентно независен, односно дека успешно мери секакви напони. Но тоа не е така. Индуктивитетот на високонапонската јамка, заедно со капацитетот на самиот делител, има своја сопствена резонантна фреквенција, која е толку пониска колку што е номиналниот напон повисок, а со тоа и самиот делител. Затоа, ваков делител е погоден само за мерење на наизменичен напон со индустриска фреквенција и, евентуално, комутационите пренапони. Помалите изведби наменети за пониски напони се пригодни и за повисоки фреквенции. Капацитетот на високонапонскиот дел C 1 се движи од 100 до 40 pf и расте при повисоки номинални напони. Обично се изведени со масло-хартиена изолација. Преносниот однос на овој делител е u1 C2 = 1+. u C 2 1 Капацитивно придушен делител (сликата 3.7д). Кај него R 1 се движи од 300 Ω до 500 Ω и, ако е внимателно изведен, претставува делител со најширок фреквентен појас, односно мери најбрзо променливи напони, вклучувајќи ги и ударните напони пресечени на челото. Ако во едно куќиште се комбинираат придушениот капацитивен делител со омскиот со голем отпор, се добива т.н. универзален делител, кој мери секакви видови напони. Но овој делител обично е и најскап. На сл. 3.8 е прикажана изведба на напонски делители. Сл Напонски делители: лево: мешан омско-капацитивен. десно: омски делител за ударен напон со мал отпор. Торусите служат за регулирање на електричното поле и избегнување на влијанието на околните заземјени предмети. Високонапонски мерни трансформатори од индуктивен тип може да се користат за мерење високи наизменични напони. Недостатокот им е што обично не се изведени за многу високи напони, а освен тоа се кабести и тешки. На сликата 3.9 е прикажано мерење на висок еднонасочен напон со предотпор. Потребни се високи омски износи на предотпорот (илјадници мегаоми) и соодветни физички димензии. Резултатот се добива според Омовиот закон. Сл Мерење високи еднонасочни напони со омски предотпор R μa Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

21 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г Изведба на инструментите при посредно мерење на високи напони Намалениот напон на излезот од делителот се води до мерниот инструмент во потесна смисола на зборот. Мерните инструменти се различни, зависно од тоа за кој вид напон станува збор (еднонасочен, наизменичен, импулсен). Инструментите можат да бидат аналогни или дигитални. Обично имаат повеќе мерни подрачја кои се избираат со преклопка. Влезниот напон обично изнесува до неколку стотини волти, а кај импулсниот осцилоскоп и импулсниот волтметар и до 2000 V. Речиси секогаш се бара висок влезен отпор од редот на мегаоми. Затоа, по правило, тоа се електронски мерни инструменти кај кои се обезбедува висок влезен отпор. Порано за тоа се користеле електростатички инструменти кои имаат висок влезен отпор. Современите мерни уреди имаат и излези со кои мерената величина натаму се доведува до други инструменти, како што се осцилоскоп (осцилограф), транзиент-рекордер, пишувач, мерен магнетофон или компјутер. По правило, мерните инструменти се приклучуваат на мрежата која е додатен извор на моќност. Ако мерниот инструмент се испорачува како целина заедно со делител на напон, кабел и прибор, читањето на вредноста е директно, без потреба за множење со фактори. Темената вредност на наизменичниот напон често е од интерес, бидејќи таа е меродавна за напрегањата на изолацијата. Има повеќе начини за решавање на овој проблем. Еден начин е преку мерењето на средната вредност на струјата низ еден високонапонски капацитет, според сликата Овој метод, всушност, спаѓа во методите на мерење со помош на предотпор, кој во случајов е капацитивен. Методот претпоставува дека темените вредности на позитивниот и негативниот полупериод од напонот се еднакви, па се врши мерење само во едниот полупериод. Во секој полупериод проведува една диода, V 1 или V 2. Амперметарот има мал пад на напон, односно мал влезен отпор. Тој ја мери средната аритметичка вредност на струјата I sr во еден полупериод. Целиот нисконапонски дел е заштитен со одводник или искриште Z, што е вообичаено кај инструментите за мерење на високи напони. а) b) c) C V 1 () t i = C V 2 du dt +U m i,u i u t u,i i u t U m t 1 t 2 I sr Сл Мерење на темената вредност на висок наизменичен напон со капацитивен предотпор Инструментот ќе ја покаже средната вредност во еден полупериод: T T I T itdt T C du + U sr dt dt 1 m = () = = CdU 0 0 T U I sr = 2 fcu и одовде U m m m I sr =. 2 fc Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

22 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 21 Гледаме дека темената вредност на напонот е пропорционална на средната вредност на струјата, а токму неа и ја покажува амперметарот. Скалата е директно баждарена во темени вредности во волти, односно во киловолти. Едно ограничување на методот е што напонот кој се мери треба да биде таков што ќе содржи само еден екстрем, инаку обликот од друг аспект може да биде било каков. На пример, ако се мери напон како на сл. 3.10c, кој има 2 екстрема, струјата на оптоварување го менува својот предзнак во точката t 1 и исправувачот кој се наоѓа во гранката со инструментот се затвора. Кондензаторот се растоварува преку другиот исправувач. Струјата од интервалот t 1 t 2 не учествува во создавањето на средната вредност. Овој вид уреди се поврзува со високонапонскиот кондензатор преку коаксијален кабел кој со својот капацитет може да влијае на точноста на мерењето. (Капацитетот на кабелот во еквивалентната шема е поставен паралелно со нисконапонскиот дел.) Вкупната несигурност на мерењето зависи од несигурноста на C и f кои влегуваат во формулата, како и од несигурноста на мерењето на самата струја I sr. Кај прецизните мерења се земаат предвид и внатрешните отпори на исправувачот и амперметарот, кои досега ги занемарувавме, како и влијанието на капацитетот на кабелот и кутијата во која се сместени нисконапонските елементи. Кај поточните уреди грешката, обично, не е поголема од 2%. Мерењето на висок наизменичен напон преку капацитивен делител на напон е прилично вообичаено (сл. 3.11). И овде покрај ефективната се бара и темената вредност на напонот, која се дава во обликот U m / 2. Ако напонот е чисто синусоидален, тогаш U ef и U m / 2 се еднакви по бројчена вредност, односно двата инструмента ќе покажуваат еднаква бројчена вредност. C 1 C 2 U ef U m Сл Мерење на висок наизменичен напон со помош на капацитивен делител За мерење на ефективната вредност порано се користел електростатски волтметар кој по својата природа мери ефективни вредности. Тој се приклучува директно на делителот (паралелно со C 2 ). Во поново време за мерење на ефективната вредност се користат електронски инструменти кои мерат ефективна вредност според дефинција, со тоа што вршат квадрирање, коренување и интегрирање според формулата за ефективна вредност. Во денешни услови сите електронски кола кои се потребни за мерење на ефективната вредност се сместени во едно интегрирано коло (чип). Темената вредност при користењето на капацитивен делител се мери со специјални шеми со исправувачи и кондензатори, како што е прикажано на сликата Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

23 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 22 od C 2 U a V 1 V 2 R i R u C b 2U R C Сл Мерна шема за мерење на темената вредност на наизменичниот напон Преку диодата V 2 се полни кондензаторот во десната гранка. На целата шема меѓу a и b владее напон U, еднаков на секундарниот напон на делителот од сл Кондензаторот C во прва приближност се наполнува до темената вредност 2U. Тој напон се мери со мерен инструмент кој е, на пример, изведен како галванометар, односно инструмент со подвижен калем. Поточно посматрано, поради конечноста на отпорот Ru = Ri + R ќе настане намалување на товарот на C, а исто така грешка внесува и директното течење на струја низ R u паралелно со кондензаторот. Но, ако износот на отпорите, капацитетот на кондензаторот и отпорот на инструментот се оптимира, грешката се држи во дозволени граници. Ако R u е премал, грешката е поголема, а ако е поголем инструментот, многу бавно реагира на евентуалното намалување на мерениот напон U. Левата гранка е симетрично изведена како и десната и тука струјата се спроведува во спротивниот полупериод. На тој начин мерниот систем подеднакво дејствува во двата полупериода и на капацитетот C 2 од сликата 3.9 не настанува натрупување на товари од било кој поларитет. За мерење на ударните напони служат импулсни волтметри и осцилографи (односно осцилоскопи со можност за фотографирање). Првите ја даваат само темената вредност, а вторите и обликот на напонот. Импулсните волтметри се електронски инструменти со аналогно или дигитално покажување. Тие се приклучуваат на соодветен делител на напон. Овде ќе го разгледаме само основниот принцип врз кој е заснована работата, без да се навлегува во сложеноста на сите помошни склопови (сл. 3.13). V R u δ u u C 1 C 2 u a t elektrostatski ili elektronski voltmetar Сл Принцип на работа на импулсен волтметар: V електростатски или електронски волметар Тоа е всушност коло кое може за извесно време да ја запамти темената вредност. Во зависност од ориентацијата на диодата V се мерат позитивни односно негативни напонски импулси. По наидувањето на импулсот диодата, проведува и кондензаторот се наполнува до извесен напон. За да одговара вредноста на тој напон на темената вредност на импулсот, временската константа на неговото полнење треба да е многу мала. Во спротивно тој би се полнел до помал износ, односно процесот на полнење не би бил довршен, а импулсниот напон веќе би почнал да се намалува (сл. 3.13). Временската константа зависи од отпорот на диодата Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

24 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 23 во пропустна насока и од износот на кондензаторот C 1. Диодата треба да има специјални својства (мал отпор во пропустна насока), а исто така и C 1 треба да е мал. По завршувањето на темената вредност, односно кога импулсот ќе почне да опаѓа, диодата V станува непропустно поларизирана и C 1 не може да се празни. Оптоварувањето на C 1, всушност, е меморирана темена вредност на импулсот. Но товарот на C 1 не може долго да се задржи, бидејќи би се празнел низ големиот, но сепак конечен отпор на диодата V, низ отпорот на изолацијата на самиот кондензатор C 1, а евентуално и низ приклучениот инструмент за мерење на напонот. Затоа, шемата се дополнува со отпорот R и кондензаторот C 2. Временската константа RC 2 е многу поголема од временската константа на полнењето на C 1 преку V, бидејќи C 2 е многу поголем. Сега товарот на C 1 полека минува кон C 2, сè додека не се изедначи напонот на двата кондензатора до извесна многу помала вредност од првобитната. Сега тој напон може поудобно да се мери, бидејќи поради големиот сумарен капацитет C 1 + C 2 растоварувањето е бавно. Мерењето треба да се спроведе со инструмент со мала потрошувачка, односно со голем влезен отпор. Таков е електростатичкиот волтметар или, во поново време електронскиот волтметар за еднонасочен напон. Честопати е од интерес, а особено кај ударните напони, да се утврди временскиот тек на појавата. Кај наизменичните напони понекогаш треба да се констатира неизобличеност на синусоидата, а кај еднонасочните - брановидноста За сите овие цели незаменлив е осцилоскопот со катодна цевка. Ќе се задржиме подетално на посебната изведба на осцилоскопот за посматрање на ударните напони - ударниот осцилоскоп. Ударниот осцилоскоп во некои аспекти е специфичен во однос на осцилоскопите кои се применуваат во слабострујната техника и автоматика. Нему пред сè не му е потребен влезен појачувач (или y - појачувач), бидејќи сигналот доаѓа со доволно висока амплитуда. Од осцилоскопот се бара голема точност на прикажување на појавата, за додатно да не го деформира доведениот облик на напонот. Тоа се однесува пред сè на фреквентниот пропусен појас, кој треба да биде што поголем, а секако не под 10 MHz, што се смета за минимум. Се очекува голема точност и на x - влезот, односно голема брзина на пишување и линеарност на пилестиот напон. Обично појавата се фотографира, за што е потребно да постои соодветна автоматика и прибор. Ударниот осцилоскоп треба да е особено добро заштитен од пречки кои можат да дојдат електромагнетски, или од напојната мрежа, или преку доводниот кабел за мерената појава. Се поставуваат уште и следните барања: - Отпуштањето на временската база треба да е автоматско и управувано. Управуваното, обично, се врши со импулс од тригатронот за палење на ударниот напон. - По оските x и y да има ознаки за големина (за напон и време), а и повеќе мерни подрачја кои се префрлаат со соодветна преклопка за да се опфатат што повеќе видови напони по траење и амплитуда. По можност и да има два млаза, за да се посматраат две појави истовремено (сл. 3.14). Sl Udaren oscilograf so dva zraka. Ta = 5ns, osetlivost 100 V/cm; Haefely Осцилоскопи со меморија (наречени storage -осцилоскопи). Постојат и аналогни, како постаро решение, и дигитални, како помодерни. Кај аналогните меморирањето на сликата на сигналот се остварува со специјална конструкција на екранот. Од екранот обликот може натаму само да се фотографира за да се задржи. Кај дигиталните мерениот сигнал се дигитализира со A/D преобразувач (конвертор), и може да се запамти во меморија. Потоа, сигналот може да се репродуцира и посматра на разни начини: на CRT екран, на пишувач или плотер, или по фото-постапка. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

25 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г СВОЈСТВА НА НАДВОРЕШНАТА ИЗОЛАЦИЈА ВО ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТСКИОТ СИСТЕМ 2.1. КАРАКТЕРИСТИКИ НА НАДВОРЕШНАТА ИЗОЛАЦИЈА Воздушни растојанија Основен диелектрик на надворешната изолација во ЕЕС е атмосферскиот воздух. Примери имаме кај собирниците на разводните постројки, кај проводниците од надземните преносни водови, кај надворешните проводни делови на ел. апарати и сл. Сите тие се поставени на одредени растојанија едни од други и од земјата (или од други заземјени делови на апаратите) и се одржуваат на такви растојанија со помошта на изолатори. Димензионирањето на воздушните растојанија зависи од напоните кои дејствуваат меѓу електродите, но и од електричната цврстина на воздухот. При нормални атмосферски услови, електричната цврстина на воздушните меѓурастојанија е мала. Во услови на хомогено електрично поле и при димензии на меѓурастојанијата од ред на величина сантиметри, таа не надминува 30 kv/cm (се мисли на темената вредност на напонот). Но ако електричното поле не е хомогено (а тоа е најчест случај во практиката), електричната цврстина на воздухот е уште помала. Исто така, и при поголеми растојанија електричната цврстина на воздушните меѓурастојанија е помала. Така, на пример, во силно нехомогено поле и при растојанија од 1 2 метри треба да се смета со околу 5 kv/cm, а при 10 до 20 m - со 2,5 до 1,5 kv/cm. Затоа димензиите на надземните водови за висок напон и разводните постројки при зголемувањето на номиналниот напон многу брзо растат. Врз прескочните напони на воздушните меѓурастојанија има влијание притисокот p, температурата θ и апсолутната влажност γ на воздухот. Електричните апарати, обично, се изработуваат за примена до надморска височина од 1000 м и температура до 35 oc. При зголемувањето на надморската височина на инсталацијата, на секои 100 m над нивото на морето прескочните напони се намалуваат за околу 1 %, а исто такво намалување се добива при секое зголемување на температурата за 3 oc над нормалната. Како нормална температура, притоа, се усвојува θ o = 20 о C (Т = 293 K), а како нормален се зема притисокот на нивото на морето p o = 100 kpa. Како нормална апсолутна влажност за воздухот се усвојува γ o = 11 g/m 3. Ако влажноста се зголеми на 1,5γ o, прескочните напони на надворешната изолација се зголемуваат за околу 5%. Присуството на дождот практично не влијае врз прескочните напони на воздушните меѓурастојанија во хомогено поле Физички процеси во гасовите при јонизација Ако врз честичките од кои се состои гасот не дејствуваат други надворешни сили, тие се движат хаотично поради топлината, при што претрпуваат меѓусебни судири. Ако една честичка на единица пат претрпи z судири, тогаш средната должина на слободниот пат е 1 λ =. (4.1) z Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

26 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 25 (Единици за мерење ќе бидат: Ако за λ е cm, за z ќе биде број судири/cm.) Величината λ зависи од концентрацијата на честичките, и, според тоа, од притисокот и температурата на гасот. Со зголемувањето на притисокот и намалувањето на температурата, густината се зголемува, а λ се намалува. Релативната густина на воздухот е: pt0 3 p δ = = 2,9 10, (4.2) p0t T каде што p o = 100 kpa, T o = 293 K. Зависноста на λ од δ е λ λ = 0, (4.3) δ каде што λ o е средната должина на слободниот пат при нормални атмосферски услови, односно δ = 1. Бидејќи честичките на гасот преку топлинското движење се движат без ред, вистинската должина на слободниот пат не е секогаш еднаква на средната, односно меѓу секои 2 последователни судира е различна. Значи, тоа е случајна величина. Веројатноста вистинската должина на слободниот пат да биде еднаква на x или поголема, е x Px = exp( ) λ. (4.4) Ако во гасот има електрично натоварени честички (електрони, јони) и ако има некоја надворешна сила (ел. поле), тие покрај хаотично ќе се движат и насочено (дрифтово), па во гасот ќе тече струја. Брзината на дрифтовото движење е v = KE. (4.5) каде што E е јачината на надворешното електрично поле, а K коефициентот на пропорционалноста кој се вика подвижност на наелектризираните честички (тоа е брзина при единично поле, единица cm 2 /Vs). Подвижноста на електроните е 200 пати поголема од подвижноста на јоните во воздухот, бидејќи нивните маси се многу различни. (Подвижноста на електроните во воздухот изнесува приближно 400 cm 2 /Vs. Ова значи, при E =1 V/cm се добива v =400 cm/s). Причина за движење на наелектризираните честички во гасовите исто така е и појавата на дифузија, доколку постои различна концентрација на наелектризираните честички во различни точки од просторот Механизам на генерирање на наелектризирани честички во гас При јонизација на атомите или молекулите на гасовите според било кој механизам, настануваат две независни честички: електрон и позитивен јон. Јонизацијата на атомите настанува или како резултат на судири, или како резултат на дејство на кванти на електромагнетно зрачење фотони. Енергијата која е потребна да се доведе на еден атом или молекул за да тој се јонизира, се вика енергија на јонизација. Ако атомот добие помала енергија од енергијата на јонизација, тој ќе биде доведен во т.н. возбудена состојба, која трае многу кусо време, ред на величина s, за пак да се врати во нормална состојба со ослободување на фотон. Во табелата 4.1 се дадени минималните енергии на јонизацијата и возбудувањето за некои гасови. При нормални атмосферски услови и отсуство на надворешно електрично поле, сударната јонизација во гасот е малку веројатна, бидејќи топлинската енергија на честичките од гасот како резултат на топлинското движење е W k = (3/2) kt = 0,04 ev, Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

27 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 26 T a b e l a 4.1 Gas Minimalna energija (vo ev) za: vozbuda jonizacija N 2 6,1 15,5 H 6,3 14,5 O 2 7,9 12,5 O 9,1 13,6 H 2 O 7,6 12,7 He 19,8 24,6 што е многу малку (k = 0, ev/k е Болцманова константа). Ако температурата на гасот порасне, на пример, на K, тогаш кинетичката енергија на топлотното движење е доволна за остварување на судирна јонизација. Таков вид јонизација се вика термичка јонизација. Но, покрај појавата на јонизација, во гасот настанува и обратен процес, спојување на спротивно наелектризираните честички или рекомбинација, при што од позитивен јон и електрон се добива неутрална честичка и се ослободува квант на енергија - фотон. Во секој момент во гасот постои рамнотежа меѓу овие два спротивни процеса. Таа рамнотежа е карактеристична за секој степен на јонизација, т.е. за секој однос на концентрација на јонизираните честички кон вкупната концентрација. Гасот во кој поголем дел од атомите и молекулите се јонизирани се вика плазма. Во плазмата концентрацијата на позитивните и негативните полнежи е еднаква. Плазмата постои при високи температури од 5000 K и повисоки. Таа е многу проводлива, токму поради големото богатство со наелектризирани честички. При судирите на електроните со неутралните честички, можно е и образување на негативни јони, по пат на прилепување на електроните кон неутралните честички. Оваа појава е можна само кај некои гасови, на пример, кај кислородот, флуорот, хлорот, водената пареа и други, кои во молекулата содржат кислород или флуор. Тие се викаат со општо име електронегативни гасови. Останатите гасови (на пример, азотот, хелиумот), кои не се склони кон оваа појава, се викаат електропозитивни. Ефективноста во образувањето на негативните јони се карактеризира со коефициентот η кој е коефициент на прилепување и бројчено е еднаков на бројот на прилепувања кои ги произведува електронот на единичен пат, на пример еден сантиметар Коефициент на судирна јонизација и лавина на електрони Ако на гасното меѓурастојание се приложи електричен напон, наелектризираните честички ќе се движат насочено и ќе акумулираат кинетичка енергија. При одредена јачина на електричното поле тие можат да акумулираат доволно кинетичка енергија за да предизвикаат судирна јонизација. Практиката и теоријата покажуваат дека актери на оваа судирна јонизација, всушност, се електроните, кои се многу поподвижни од јоните. При судирот на еден забрзан електрон со неутрален молекул настанува јонизација, односно се создава еден пар нови честички: слободен електрон и позитивен јон. Понатаму процесот на судирната јонизација го продолжуваат два електрона, и првобитниот и новоослободениот, па судирната јонизација на овој начин се одвива лавинообразно, односно бројот на ослободените електрони се намножува многу брзо и се создава лавина на електрони. Овој процес на намножување на слободните електрони се карактеризира со коефициент на судирна јонизација (α ). Коефициентот на судирна јонизацијаα бројчано е еднаков на бројот на јонизации кои еден електрон ги Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

28 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 27 предизвикува на единичен пат (еден сантиметар) во правецот на силовите линии на електричното поле. За да се предизвика една јонизација во гасот, електронот треба да мине пат при кој ќе акумулира енергија потребна за јонизација W j : x j Wj =. (4.6) ee Веројатноста, пак, електронот да мине пат еднаков на x j или поголем без да настане судир е Px j = exp( x j / λ). Затоа средниот број на судирите на електронот на пат од еден сантиметар кои предизвикуваат јонизација е 1 x j α = exp λ, λ каде што 1/λ е средниот број на судири на единичен пат (на пример 1 cm). Ако замениме (4.3), (4.4), и (4.6), се добива δ W j δ Bδ α = exp = Aδ exp λ0 eλ0e E каде што A и B се константи кои зависат од својствата (природата) на гасот: α δ = B Aexp. (4.7) δ E При изведбата на равенката (4.7) се направени некои претпоставки и упростувања, но сепак зависноста α = f ( E / δ ) δ според (4.7) е во сила, при што константите A и B треба да се одредат експериментално за гасот кој е во прашање, за да се земат предвид сите сложености на физичката појава. На сликата 4.1 на примерот на воздухот е дадена зависноста на α / δ од E / δ. Во електронегативните гасови, во кои спаѓа и воздухот, јонизационите процеси се карактеризираат со ефективниот коефициент на јонизацијата α ef = α η. При мали јачини на електричното поле (E / δ < 100 kv/cm) за α ef кај воздухот важи приближната зависност: 2 α ef E = 02, 245,, (4.8) δ δ каде што E се заменува со kv/cm. Од (4.8) гледаме дека α ef > 0 при E / δ > 24,5 kv/cm. Затоа оваа вредност на јачината на електричното поле е долната гранична вредност при која почнува јонизацијата на воздухот. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

29 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г α / δ, η / δ 1/cm α /δ ( α η ) / δ η / δ E / δ kv/cm Сл Зависноста на коефициентите α,η и кај воздухот α ef Да го пресметаме бројот на електрони во една лавина. Да замислиме дека во точката x o од еден линеарен координатен систем стартува еден електрон кој формира лавина. Во точка со координата x лавината ќе содржи n електрони. При наредниот прираст на растојанието dx бројот на електроните ќе порасне за dn : dn = nα ef dx и одовде: dn = α ef dx и ln n = n α ef dx. So integrirawe dobivame deka na patot x brojot na elektroni n }e bide: x o x = exp α ef dx. (4.9) x n 0 Ако полето е хомогено,α ef нема да зависи од E, па (4.9) се упростува на ( ( x )) n = exp α. (4.10) ef x o Sl Izgled na edna lavina od elektroni Во процесот на развојот на лавината, покрај слободните електрони, се формираат и позитивни јони, а во електронегативните гасови и негативни јони. Јоните се слабо подвижни и во процесот на пораст на лавината можеме да ги замислиме неподвижни (сл. 4.2). Сепак, позитивните јони со своето присуство како просторен полнеж имаат важна улога во процесот на празнењето во гасовите, бидејќи влијаат на обликот на електричното поле го изобличуваат. Лавината не расте бесконечно, туку до некоја каракатеристична крајна големина (пак зависи од гасот кој е во прашање). Освен јонизации, во лавината настануваат и рекомбинации, но и многу возбудувања на атомите и молекулите на гасот. При премини од возбудена состојба во нормална тие лачат фотони кои се причина за светкање во гасот (доколку фреквенцијата падне во видливиот дел од спектарот). Тие фотони се многу значајни за натамошните физички процеси сврзани со електричното празнење, како што се гледа подолу. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

30 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г Секундарна јонизација и услов за самостојно празнење Почетниот електрон кој стартува една лавина може во гасот да се појави од разни причини (сончево и ултравиолетово зрачење, космичко зрачење и сл). Лавината може сама од себе и да згасне, без да настане целосно празнење во гасното меѓурастојание, но може да обезбеди и појава на други лавини во гасот и да доведе до ескалација на процесот на празнењето. Тие процеси пред се зависат од јачината на полето во просторот каде се развива лавината но и неговата конфигурација. Електричното празнење за чија егзистенција и поддржување не е потребен надворешен јонизатор, се вика самостојно. Обратно, електричното празнење за кое е потребно постоење на некоја надворешна причина (извор на јонизација) е несамостојно. Несамостојното празнење може да прерасне во самостојно, ако се исполнат одредени услови. Обично тоа се случува ако се засили електричното поле во меѓурастојанието, односно ако напонот на електродите се зголеми. Нас неè интересира кои се условите за да празнењето биде самостојно (независно од присуството на надворешен извор на јонизација). Ако во процесот на развојот на првобитната лавина во меѓурастојанието се појави друг слободен електрон на друго место од гасното меѓурастојание, но како резултат на јонизационите процеси во првата лавина, тогаш ќе стартува друга лавина која во крајна мера може и да изгасне. Според тоа, за да празнењето прерасне во самостојно, потребно е секоја лавина преку низа јонизациони процеси кои ги нарекуваме секундарни да си обезбеди барем 1 слободен електрон кој ќе биде причина за нова лавина. Овој електрон се вика секундарен електрон, а јонизационите процеси кои го предизвикуваат се викаат секундарни јонизациони процеси. Секундарните јонизациони процеси настануваат, главно, преку фотојонизација во обемот (волуменот ) на гасот или преку фотоефект на површините на електродите (при удар на фотон врз катодата), а можат да бидат резултат и на бомбардирање на површината на електродите со позитивните јони од примарната лавина. Така, на пример, за да настане фотојонизација на катодата (исфрлање на еден електрон од катодата при удар на фотон во неа), потребно е енергијата на излачените фотони од примарната лавина да биде hν W izl (h = 4, evs е Планкова константа), каде што W izl е излезната работа на електроните од катодата. За бакарни и железни електроди таа изнесува 4,5 електронволти. Ова не е голем износ и толку силни фотони се присутни при развојот на примарната лавина. Затоа овој секундарен механизам е доста присутен. Фотојонизацијата во волуменот на гасот бара присуство на фотони со енергии во износ на енергијата на јонизацијата на честичките од гасот. Ваква појава е присутна кај смеси од гасови како што е воздухот, каде што има компоненти (гасови) со пониска енергија на јонизација. Друг секундарен механизам е бомбардирање на катодата со позитивни јони и избивање од неа слободни електрони. Овој механизам е веројатен само при ниски притисоци во гасот. Бројот на секундарните електрони кои настануваат при развојот на примарната лавина е пропорционален на бројот на јонизации во неа, односно бројот n. Коефициентот на пропорционалноста γ се вика коефициент на секундарната јонизација. Според тоа, условот за самостојност на празнењето е γ n 1 Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

31 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 30 каде што 1 на десната страна од равенството значи дека како резултат на сите секундарни јонизациони процеси се добива барем еден слободен електрон. Според тоа L γ exp 1 α ef dx, (4.11) 0 при што интегрирањето се одвива по целото гасно меѓурастојание L. Ако електричното поле меѓу електродите е хомогено, ќе важи: γ exp( α ef L) 1, odnosno α ef L ln 1, γ (4.12) што и претставува услов за самостојно празнење во хомогено поле. Pra{awa 1. Zo{to se pojavila upotrebata na mnogu visoki naizmeni~ni naponi vo jakostrujnata elektrotehnika? 2. Koi problemi se javuvaat pri koristeweto na visokite naponi i koi treba da gi re{ava nau~no - tehni~kata disciplina Visokonaponska tehnika? 1. Ако за едно воздушно меѓурастојание се знае: растојанието помеѓу електродите d ; напонот меѓу електродите U 12 ; факторот на нехомогеноста на полето k, колку изнесува максималното електрично поле? Колку изнесува средното поле? Колку изнесува минималното поле? Бројна примена: d = 10 cm ; U 150 kv; k = = 2. Koja e razlikata me u: a) Elektri~no pole; b) Elektri~en napon. Koja veli~ina e merodavna za dimenzionirawe na izolacijata? So koi edinici se merat sekoja od ovie veli~ini? [to e toa: sredno el. pole, a {to maksimalno elektri~no pole? Kako se definira faktorot na zgolemuvaweto na ja~inata na poleto.navedi primer za: Homogeno pole; pole vo koaksijalen cilinder. 3. Koi vidovi ispitni naponi poznava{? Nabroj gi i nakuso definiraj gi. 4. Definiraj: Relativna gustina na vozduhot δ ; sredna dol ina na slobodniot pat λ ; Podvi nost na naelektriziranite ~esti~ki K, zaedno so nivnite merni edinici. 5. Definiraj gi pojavite: Jonizacija; rekombinacija; prilepuvawe na elektronot kon neutralna ~esti~ka. Nabroj koi vidovi jonizacija vo gasovite poznava{! Koja e razlikata me u elektropozitivni i elektronegativni gasovi? 6. Ako jonizacijata nastanuva po pat na sudir na elektron so neutralna ~esti~ka, i ako energijata na jonizacija e W j, ja~inata na elektri~noto pole E, kolkav sloboden pat mu e potreben na elektronot za da se zabrza tolku, za da izvr{i jonizacija po pat na sudir so neutralnata ~esti~ka? 7. [to e toa koeficient na sudirna jonizacija α? Koja ~esti~ka e nositel na ovoj tip na jonizacija? {to e toa koeficient na prilepuvawe? [to e efektiven koeficient na jonizacija? 8. Definiraj {to se toa sekundarni jonizacioni procesi. Nabroj koi sekundarni jonizacioni procesi poznava{ i daj go uslovot za samostojno praznewe. 9. Nacrtaj skica na edna elektronska lavina. Potoa izvedi ja ravenkata za presmetuvawe na brojot na elektroni vo nea. Koi procesi nastanuvaat vo lavinata i okolu nea? 1. Definiraj gi pojavite: Nesamostojno praznewe vo gas; Samostojnio praznewe vo gas. Koga (pri koi uslovi) edno nesamostojno praznewe mo e da premine vo samostojno? 10. Formuliraj gi matemati~kite uslovi za samotojnost na prazneweto vo gas i toa: - ako poleto e homogeno; - ako poleto e nehomogeno. Ravenkite potkrepi gi so objasnuvawe. Љубомир Николоски, Техника на висок напон 1; предавање бр.1

32 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 31 Плазма. Како што се рече погоре, при процесите на празнење преку ударна јонизација во силно електрично поле, ако се исполнат и други услови, се создава канал богато исполнет со наелектризирани честички, јони и електрони. За ваков канал врлиме дека е исполнет со плазма. Својствата на плазмата се многу необични. Иако таа е слична на гас според својата агрегатна состојба, плазмата има многу својства слични на металите. Таа има голема проводливост и има својство да ги рефлектира електромагнетните бранови. Затоа, плазмата уште ја нарекуваат четврта агрегатна состојба, заедно со гасовитата, течнаста и цврстата. За да се задржи материјата во состојба на плазма, потребно е да се одржува одредена и доволно висока концентрација на натоварени честички. Проблемот се објаснува на ваков начин. Заради хаотичното топлинско движење на честичките, електроните како полесни имаат склоност брзо да го напуштат просторот каде е плазмата, како резултат на што рамнотежата на товарите се нарушува и плазмата се распаѓа. На таквото растурање на електрроните се противи електричното поле кое постои меѓу избеганите од плазмата електрони, и останатиот облак на плазмата со вишок позитивни товари. Само при доволно голема концентрација на натоварените честички тие сили ќе создадат неопходна потенцијална бариера, која пречи на оддалечувањето на електроните од плазмата и одржување на материјата во состојба на плазма. Во техниката на висок напон плазмата се јавува за време на електричното празнење при доволно висок степен на јонизација во каналот на празнањето (лачно празнење или искровидно празнење) Колку е повисок степенот на јонизација на каналот на празнањето, толку плазмате е повеќе проводлива Видови празнења при долготрајни напони Во долготрајните напони ги вбројуваме еднонасочниот и напонот со ниски фреквенции каков што е, на пример, напонот со индустриска и нешто повисоки фреквенции. Кај нив траењето на еден полупериод е многу подолго од времето на развивањето на електричното празнење Празнење во хомогено поле Ако во едно гасно меѓурастојание во кое владее хомогено поле се исполни условот за самостојност на празнењето, ќе настане целосен пробив на тоа меѓурастојание. Ќе се појави искра или лак кој видливо проводно ќе ги премости електродите. Ако од (4.12) и (4.7) го изразиме пробојниот напон U p при должина на меѓурастојанието L, се добива: BδL U p = E pl =. (4.13) AδL ln 1 ln γ Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 31

33 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 32 Од (4.13) следува дека, ако се усвои γ = константа (што е доста точно и при широки промени на густината на гасот), пробивниот напон при хомогено поле е функција од производот δl, Up = f( δ L). Според тоа, ако се менува δ и L така што нивниот производ да остане константен, и U p ќе има константна вредност. Овој закон е познат како Пашенов закон. Истиот е утврден експериментално. На сликата 4.3 е дадена зависноста на почетниот (односно пробивниот) напон за воздушни меѓурастојанија при хомогено електрично поле (Пашенова крива). Од неа се гледа дека многу мали воздушни растојанија имаат поголема електрична цврстина, потоа следува еден минимум, па потоа пробивниот напон расте со пораст на растојанието (при δ = константа). Значи, постои една аномалија. Објаснувањето за изгледот на оваа крива би било следното: Ако се усвои L = конст. при зголемување на δ, ќе се зголеми и бројот на судири на електронот со честичките од гасот и ќе се намали веројатноста за јонизација. Електроните немаат доволно голем слободен пат да се забрзаат (во согласност со равенката (4.7)). Ова значи дека постои некоја оптимална вредност на δ при која α добива максимална вредност. На максималната вредност на α одговара минималната вредност на прескочниот напон на Пашеновата крива. При мали вредности на δ L се добива повишување на прескочниот напон, бидејќи судирите се многу ретки и малку веројатни. Искуството покажува дека се јавува големо отстапување од Пашеновиот закон ако притисокот многу се зголеми (ќе се зголеми и густината δ ), што има за последица пониски прескочни напони одошто се очекува теориски. Тоа е поради присуството на површината на U, kv p електродите на микронерамнини - рапавост која доведува до локално зголемување на електричното поле, и според тоа до снижување на прескочните напони. Со мазнење и полирање на површините на електродите, отстранување на прашината и сл., ова може доста да се поправи. δ L, cm 10 1 Ако сакаме да добиеме формула за пресметка на пробојната јачина на електричното поле и на пробојниот напон на меѓурастојанието во хомогено поле, во (4.12) ќе Sl Pa{enova kriva za vozduh ја замениме зависноста за α ef од (4.8) и за воздух ќе имаме: 2 E 1 0,2δ 24,5 L = ln. δ γ Водејќи сметка дека за воздух е 1 ln = 82,, γ се добива: E p = + δ, L kv/cm (4.14) а за пробивниот напон: Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 32

34 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 33 Up = 24, 5δL+ 6, 4 δ L. kv (4.15) Во овие формули U p e vo kv, а должината L во cm. Равенките (4.14) и (4.15) важат за δl 0,75 10 cm, што одговара на десната страна на Пашеновата крива. При зголемувањето на должината L, јачината на електричното поле при пробивот според (4.14) клони кон 24,5 kv/cm (членот со станува занемарлив). Гледаме дека кај гасовите, благодарение на развиената теорија за празнењата, постојат некакви формули со кои може да се пресмета прескочниот напон. Но тие важат со доста ограничувања кои се спомнаа во текстот. Сето ова сепак бара и познавање на физички константи за гасот кој е во прашање и кои се вклопени во коефициентите во горните формули, а се добиваат по експериментален пат. Самиот развиток на празнењето од една лавина до целосен пробив на меѓурастојанието е сложен процес кој делумно ќе го појасниме во наредните поглавја. Само да споменеме дека со развитокот на секундарните процеси во меѓурастојанието се натрупуваат многу лавини кои се надоврзуваат една на друга. Тие формираат една проводлива патека која е исполнета со јони и електрони и која ја викаме стример (од англиски streamer, што значи тек, струја во реката). Откако стримерот ќе ги допре двете електроди и ќе ги поврзе, низ него потекува појака струја и тоа претставува пробив или празнење во меѓурастојанието. Самиот изглед на празнењето откако ќе се случи овој настан многу зависи од електричното коло кое го напојува меѓурастојанието (од изворот на висок напон, односно од неговата внатрешна импеданса). Ако колото има мала внатрешна импеданса, прескокот на меѓурастојанието се претвора во енергетски лак кој има голема енергија. Тој зрачи со топлина, предизвикува ударен бран (експлозија) кој може да им нанесе штета на луѓето или предметите во околината. Вакви се прескоците во енергетскиот систем, и тоа во трафостаниците, преносните водови за висок или низок напон. Ако колото има големи внатрешни импеданси, тоа не може да го храни лакот со голема струја, па лакот е слаб, изгледа како тенка светлива нишка која ги поврзува електродите. Тој нема силно изразено термичко и ударно дејство. Вака обично изгледа прескокот на воздушни меѓурастојанија кога се прават најголем дел обиди со висок напон и прескок на меѓурастојанија во лабораторија за висок напон. Во екстремни случаи на многу слаби извори лакот не може да гори стабилно, туку се јавува во вид на слаба и краткотрајна искра која видливо ги премостува електродите, но веднаш се гаси поради наглото намалување на напонот што го дава изворот кој ги напојува електродите (намалувањето на напонот настанува заради падовите на напон во колото, бидејќи пробивот е еден вид куса врска, па се јавува зголемана струја во колото), за потоа пак да се појави како интермитирана искра. И оваа појава студентите ќе имаат можност да ја видат при вежбите во лабораторијата за висок напон. 3 Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 33

35 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г Strimerna teorija na prazneweto Teorijata na prazneweto vo gasovi vo ~ija osnova le`at procesite na udarna jonizacija, vo mnogu slu~ai, na primer pri mali rastojanija me u elektrodite, dava sosema zadovolitelni rezultati, soglasni so eksperimentite. No pri prou~uvaweto na praznewata vo podolgi rastojanija me u elektrodite, se utvrdilo golemo otstapuvawe me u teorijata i eksperimentite. Ova osobeno vo vrska so dolgotrajnosta na procesot na prazneweto, koe bilo dosta pokratko odo{to spored teorijata. Istra`uvawata dovele do razrabotka na t.n. strimerna teorija na prazneweto. Za da gi razbereme osnovnite postavki na strimernata teorija, da go posmatrame procesot na praznewe vo homogeno pole, sl. 1. sl. 1. Razvivawe na katoden strimer. Prazneweto zapo~nuva so obrazuvawe na po~etnata lavina 1 koja se razviva od katodata kon anodata. Otkako lavinata go mine rastojanieto x k, koga gustinata na elektronite vo glavata na lavinata nadmine nekoja kriti~na gustina, (naprimer gustina koja odgovara na α x k = 20 ), nastanuva naglo izobli~uvawe na poleto i intenzitetot na jonizacijata tolu narasnuva, {to mo`e da nastane generirawe na fotoelektron 2 oddale~en na nekoe rastojanie x pred glavata na lavinata. Fotoelektronot pri ova se nao a vo oblast na zgolemena ja~ina na poleto, bidej}i na prvobitnata ja~ina na poleto me u elektrodite, se nadodava i poleto sozdadeno od prostornite tovari. Zatoa elektronot brzo se dvi`i kon anodata i sozdava na svojot pat sekundarna lavina 3 (sl.1b). Zaradi silnata zavisnost na koeficientot α od ja~inata na poleto, gustinata na elektronite vo nea ja dostiga kriti~nata gustina posle izminuvawe na pat Δ x < x (pobrz razvitok na sekundarnata lavina). k Na ovoj na~in, prostorniot tovar na primarnata lavina se nao a kako prenesen na rastojanie x + Δx kon anodata. Prostorot me u primarnata i sekundarnata lavina se ispolnuva so elektroni i pozitivni joni koi poteknuvaat i od po~etnata i od sekundarnata lavina, i se sozdava kanalot 4 koj e ispolnet so plazma, sl.1v (plazma e gas so pogolema koncentracija na naelektrizirani ~esti~ki). Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 34

36 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 35 Stadijumot na ravitok na prazneweto koga e mo`na fotojonizacija za smetka na zra~eweto na samata lavina (fotojonizacija vo obemot na gasot) i koga se sozdava kanal so golema provodlivost, se vika strimeren a samiot provodliv kanal - strimer, od angliskiot zbor stream koj zna~i potok, tek, struja na te~ewe. x + Δx Brzinata na razvivawe na strimerot e pogolema za pati vo odnos na Δx brzinata na elektronite na ~eloto na strimerot i dostiga do 10 7 do 10 9 cm/s, gustinata na pozitivnite tovari vo strimerot iznesuva joni/cm 3, a amplitudata na strujata na strimerot, koja se zatvora niz kapacitivnosta kon sprotivnata elektroda, iznesuva i do 10 A. Posle ova, otkako strimerot }e ja dostigne sprotivnata elektroda, (sl.1g), me u elektrodite }e se sozdade kanal so visoka provodlivost 4, i toga{ se razviva t.n. glavno praznewe. Glavnoto praznewe e te~ewe na elektri~na struja so pogolema ja~ina definirana od otporite vo celoto napojno kolo i koja se zatvora niz pripremenata provodliva pateka na strimerot. Posmatraniot strimer pretstavuva strimer so negativen prostoren tovar, bidej}i se razviva po~nuvaj}i od katodata. Zatoa toj se vika u{te i katoden strimer. Vo homogeno pole, katodnite strimeri nastanuvaat koga prilo`enoto pole znatno }e go nadmine probivnoto. Vo toj slu~aj, zaradi golemiot iznos na α, uslovot α = 20 }e se ispolni pri rastojanie x k < S kade S e rastojanie me u elektrodite. x k Pri ja~ini na poleto bliski do probivnoto, strimerot se obrazuva otkako po~etnata lavina go izmine celiot pat me u elektrodite i od anodata }e pridobie pozitiven prostoren polne`. Takov strimer se razviva po~nuvaj}i od anodata i se dvi`i kon katodata i toj se vika anoden strimer, sl. 2. Sl. 2. Razvivawe na anoden strimer. Razvitokot na anodniot strimer te~i na ovoj na~in: Po~etna lavina posle minuvawe na celoto me urastojanie go ostava pozitivniot prostoren polne` voglavno blizu do anodata, koj ja zgolemuva ja~inata na elektri~noto pole dosta daleku od anodata Toa doveduva do pojava na sekundarni lavini koi se vovlekuvaat vo pozitivniot polne`. Elektronite od sekundarnite lavini zaedno so pozitivnite joni od primarnata lavina formiraat kanal poln so plazma - strimer. Zaradi pogolemiot Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 35

37 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 36 broj sekundarni lavini koi se razvivaat pred glavata na strimerot, vrvot na strimerot se zadvi`uva pobrzo napred kon katodata (brzina od m/s) odo{to e brzinata na elektronite koi se dvi`at po kanalot vo sprotivna nasoka (brzina 10 5 m/s). Taka strimerot dvi`ej}i se ja dostiga katodata i go prekriva celoto me urastojanie i nastanuva glavno praznewe odnosno probiv. Dvi`eweto na elektronite dol` kanalot na strimerot predizvikuva negovo zagrevawe do temperaturi od nekolku iljadi stepeni, pri koi nastanuva i termi~ka jonizacija, se formira lak i ja~inata na elektri~noto pole naglo pa a do desetini V/cm Празнење во нехомогено поле и коронско празнење Во практиката ретко се среќава хомогено поле. Почесто полињата се од типот на нехомогени. Нехомогеноста на полето влијае битно врз развитокот на празнењето во гасови. Нека посматраме цилиндричен систем електроди како на сликата 4.4. Нека имаме можност да го менуваме радиусот r на внатрешниот цилиндар, а надворешниот радиус R да го држиме константен. Со менувањето на r ќе добиеме поле со различен степен на нехомогеност. E max U 1=U pr E E 1 U R r r x R E 1 E 2 E o x E 0 R/r 1 k 1 e 10 k а) b) Сл Цилинричен коаксијален систем електроди: а распределба на јачината на полето меѓу електродите на цилиндричен кондензатор; б - зависност на E max од односот k = R/r. U На сликата 4.4а прикажана е промената на јачината на полето E = од R xln r растојанието x, а на сл. 4.4б - зависноста на максималната јачина E max која секогаш владее на површината на внатрешниот цилиндар, x = r, од односот R / r. Отпрво да ја посматраме R долната крива, која важи за напон U меѓу електродите. Кривата Emax = f минува низ r минимум при R / r = e. Нека E o е почетната јачина за дадените електроди, и нека заради Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 36

38 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 37 упростување неа ја сметаме за константа и независна од радиусот r. Тогаш при R < e (точка r k 1 ), јачината на полето на површината од внатрешната електрода е E 1 > E o, и околу неа ќе се формира самостојно празнење. Како резултат на создавањето на јонизиран слој околу електродата, нејзиниот радиус привидно се зголемил, значи односот R / r се намалил. Тоа ќе предизвика зголемување на јачината на полето E 1 и натамошно ширење на областа на јонизација, што пак го олеснува појавувањето и развитокот на стример. Како резултат на ова, стримерот кој се образува ќе ја допре спротивната електрода и меѓу електродите ќе се формира канал полн со плазма, значи ќе настане целосен пробив на меѓурастојанието. Така, при R r < e, штом се појави самостојно празнење, тоа без некои меѓустадиуми многу брзо ескалира во пробив и ќе важи U o = U. За вакво поле велиме дека е слабо нехомогено. pr При однос R > e (точка k 2 ), јачината на полето E 2 исто така ја надминува E o и така r пак настанува самостојно празнење. Но сега, за разлика од претходниот случај, заради просторниот полнеж од празнењето, се намалува односот R / r и јачината на полето E 2 до износот E 2 = E o. После ова, натамошното ширење на областа на постоење на самостојно празнење ќе се прекине, бидејќи при полиња E <, не е исполнет условот за самостојно празнење. Според тоа, при R > e, ќе постои стабилно самостојно празнење кое го опфаќа r само делот од просторот околу позакривената електрода, без да прерасне во целосно празнење (ако напонот се држи на некоја константна вредност). Ваквото празнење се вика коронско празнење или корона. За да може коронското празнење да премине во целосен пробив, според сл. 4.4, треба да се зголеми приложениот напон меѓу електродите до износот U 1, при кој кривата E max ја допира правата E o во една точка. Во тој случај, самостојното празнење кое започнало, ќе премини во целосен пробив без некои меѓустадијуми. На тој начин, ако е R > e, почетниот напон U o е напон на појава на короната U k, а r напонот на целосен пробивu pr е секогаш поголем од овој напон, понекогаш и по неколку пати. Значи, сега важи Uo = Uk и U pr > Uo. Овој вид електрично поле се вика силно нехомогено. Општо во практиката, без оглед на типот на електродите и на меѓуелектродното растојание, степенот на нехомогеноста на електричното поле се карактеризира со E U коефициентот на нехомогеноста k n = max при Esr = (овде S е растојанието меѓу Esr S електродите). Кај хомогените полиња е k n = 1, а кај нехомогените е k n > 1 и се зголемува со намалувањето на радуиусот на кривината на елекродите и порастот на растојанието меѓу електродите). Нема остра граница меѓу разни видови нехомогено поле. Приближно се усвојува дека слабо нехомогено поле е ако е k < 2, а силно нехомогено - ако k > 2. Оваа граница одговара n E o n Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 37

39 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 38 R на пример, на случаите на концентрични цилиндри со однос = 3, а кај паралелни r S проводници, каде S е растојанието меѓу проводниците а 2 r нивниот дијаметар на = 30. r (Според некои автори граница за силно нехомогено поле е ако k n > 4 ). Нека го искористиме условот (4.11) за појава на самостојно празнење за случајот на систем електроди од сл. 4.4а. R αdx = ln 1 (4.16) γ r Сега полето се менува со растојанието според : на α од E според (4.7) се добива: R R Bδ ln 1 δ exp A x r dx = ln, U γ r o и со интеграција се добива: Bδr ln AUo exp R B ln U o r R r R BδR ln 1 exp r = ln U γ o U E x =, и користејќи ја зависноста R xln r (4.17) Во оваа равенка почетниот напон е оној напон кој истата ја претвора во идентитет, односно тука почетниот напон е даден имплицитно. Може да се одреди, на пример, по нумерички пат или со пробно заменување. Оваа формула за U 0 е многу сложена функција од δr, но во општ случај можеме да ја запишиме како: Uo = f( δ r, R / r) Оваа равенка го изразува законот за сличност на празнењата, кој гласи: Во нехомогено поле почетниот напон е функција од производот на густината на гасот δ, и една од геометриските димензии на меѓурастојанието (на пример растојанието меѓу електродите) и односот на оваа димензија кон сите други битни геометриски димензии. На пример, за паралелни цилиндри со радиус R и r, кои се наоѓаат на растојание Ѕ Uo = fδ SR, / Sr, / S или еден од друг, законот на сличноста може да се запише како ( ) Uo = f( δ rr, / rs, / r) или слично. Од законот на сличноста следува дека за геометриски слични меѓурастојанија, кај кои односот на сите геометриски димензии е еднаков, почетниот напон зависи само од производот δs. Според тоа, Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 38

40 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 39 ако меѓурастојанијата се држат геометриски слични, почетниот напон е непроменет ако при промена на густината на гасот геометриските димензии се менуваат обратно пропорционално. Ова и се користи во практиката; со зголемување на притисокот на гасот во едно меѓурастојание (на пример, притисокот на гасот меѓу контактите на високонапонски прекинувач), пробивниот напон се зголемува. Бидејќи аналитичките формули за почетниот напон за нехомогено поле се многу сложени, за практична примена се користат емпириски формули 1. Структурата на овие формули одново треба да се во согласност со законот на сличноста. Една од овие формули од руската литература е: S c Uo = 24, 5δ 1 k + (4.18) n 038, ( δr) каде што: c = 065, е констранта која важи за случај на концентрични цилиндри и случај на цилиндричен проводник над рамнина; (За други конфигурации важат други, не многу различни коефициенти (на пример, за сфера над рамнина е c = 0,78, а за концентрични сфери е c = 0,89); k n - е коефициентот на нехомогеноста; S е растојанието меѓу електродите; r е радијус на позакривената електрода. Оваа равенка е во согласност со законот на сличноста. Овде S и r се заменуваат во cm, а U o се добива во kv. E Ако горната формула ја помножиме од двете страни со k n = max и се подели со S, E sr (водејќи притоа сметка дека Uo = EsrS т.е. почетниот напон при кој се јавува короната е производ од средното поле и растојанието, односно, сите величини E sr и E max сега важат за случај кога е исполнет условот да се добие почеток на празнењето), за левата страна добиваме: 1 1 S E Sk S E S E max sr n = sr = E max E. sr Бидејќи E max можеме да го означиме и како поле при површината на внатрешната електрода во услови на почеток на празнењето E n ( индекс значи n начален или почетен ): E 065, = En = 24, 5δ 1 + ( δr) max 038,. (4.19) Во оваа равенка r е радиусот на електродата со поголема кривина (поголема кривина значи помал радиус на криувината) и се зманува во cm, а полето се добива во kv/cm. Горните равенки, како што произлегува од досега реченото, ги даваат пробивните напони и полиња ако се работи за слабонехомогено поле, односно почетниот напон, односно 1 Empiriski zna~i deka se dobieni po pat na eksperimenti Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 39

41 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 40 почетното поле, ако се работи за силнонехомогено поле. Нема формула за пресметка на пробивен напон во силнонехомогено поле и затоа за тој случај меродавни се експериментите. Значи, како заклучок можеме да речеме дека, кај нехомогените полиња почетниот напон на короната е секогаш понизок од пробивниот напон за хомогено поле при исто растојание меѓу електродите и истиот гас (види равенка (4.18) за k n = 1 и k n > 1). На пример, за цилиндричен кондензатор со r = 1 cm и R = 2 i S = R r =1 cm, R / r = 2 и оттука k n = 146,. Така се добива (од (4.18)): U o = 24, 5 1 ( 1+ 0, 65) = 27, 7 kv, 146, за разлика од износот 31 kv којшто важи за хомогено поле. Почетниот напон е толку помал, колку е полето понехомогено. Коронското празнење може да има лавинска или стримерна форма. Лавинската форма се јавува кај тенки проводници (1 2 mm). Зоната на јонизација има хомогена структура и, ако појавата се гледа во замрачени услови, светкањето настанува во тесен појас околу проводникот. Стримерната корона настанува кај подебели проводници и светкањето се манифестира во тесни канали стримери, кои се јавуваат импулсовидно и интермитирано. Стримерите, всушност, се тенки нишки исполнети со силно јонизиран гас (слика 4.5). a b Сл Две карактеристични форми на корона: а лавинска, б стримерна Дури откако напонот во нехомогеното поле ќе се зголеми за извесна вредност над почетниот, ќе настане целосен пробив (слика 4.6). Ако меѓурастојанието е несиметрично, на пример електродите имаат нееднакви радиуси на кривина, пробојниот напон ќе зависи од поларитетот на електродата со поголема кривина. При негативен напон, тој е нешто повисок одошто при позитивен (слика 4.7). Несиметрични меѓурастојанија се, на пример, шилец плоча, шилец сфера. U, kv U p kv L, cm Сл Почетни и пробивни напони на воздушно меѓурастојание со силно нехомогено поле при меѓурастојание сфера плоча, 50 Hz: 1 почетен напон, 2 пробивен напон L, cm Сл Пробивни напони при меѓурастојание шилец - плоча: 1 при негативен, 2 при позитивен шилец (при еднонасочен напон) Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 40

42 ФЕИТ: Техника на висок напон 1; предавања 2012г. 41 Pra{awa 1. [to e toa plazma i kakvi svojstva ima? 2. Kako glasi Pa{enoviot zakon? Skiciraj ja Pa{enovata kriva za vozduh i diskutiraj ja! 3. Homogeno - slabo nehomogeno - silno nehomogeno pole vo edno gasno ma urastojanie. Koja e razlikata i kako se razgrani~eni? Koja e bitnata razlika vo pogled na na~inot na razvivawe na prazneweto po~nuvaj}i od po~etniot napon pa do probivniot. 4. Formuliraj gi matemati~kite uslovi za samotojnost na prazneweto vo gas i toa: - ako poleto e homogeno; - ako poleto e nehomogeno. Ravenkite potkrepi gi so objasnuvawe. 5. Kako glasi ravenkata za proboen napon i probojna ja~ina na elektri~noto pole vo me uelektrodno rastojanie vo vozduh, vo koe vladee homogeno pole i za koi uslovi taa ravenka e vo sila? 6. Kako glasi zakonot za sli~nost na praznewata. Kakva prakti~na primena ima ovoj zakon? 7. Opi{i so zborovi {to e toa koronsko praznewe? Pri koi uslovi toa nastanuva? Kakvi formi mo e da ima? Ako e dadeno edno rastojanie {ilec plo~a, kako principielno }e izgleda dijagramot napon rastojanie, kade na ordinatata e daden naponot na po~etok na prazneweto i probojniot napon, a na apscisata e dadeno rastojanieto me u elektrodite? 8. Daj ja empiriskata ravenka za po~etniot napon i po~etnata ja~ina na el. pole vo vozduh, ako me urastojanieto e so silno nehomogeno pole, naprimer slu~aj cilindri~en provodnik so radijus r nad ramnina? Vo koi edinici se zamenuvaat radijusot i rastojanieto a vo koi edinici se dobivaat U o i E o? 9. So crte` i zborovi objasni kako se odviva prazneweto vo homogeno pole pri gradba na katoden strimer. Љубомир Николски; Техника на висок напон 1; предавање бр.2 41

43 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања Празнење во силнонехомогени и несиметрични полиња. Влијание на полатитетот на електродите При хомогените полиња, при напони пониски од пробивниот, практично не постојат јонизации, и затоа при U U o, почетната лавина се развива при отсуство на претходно создаден просторен товар. (Во хомогено поле, почетниот напон е идентичен со пробивниот!) При силнонехомогени полиња, јачината на полето при површината на електродите со мал радијус на кривина, обично е доволно силно за да започне интензивна јонизација, дури и при напони кои се битно помали од напонот на почеток на короната. Просторните товари кои се создаваат при таква претходна јонизација битно влијаат врз процесот на понатамошното празнење. Да го посматраме развивањето на празнењето во меѓурастојанието шилец - плоча, кое е карактеристичен пример на силно нехомогено и несиметрично поле. (Полето меѓу електроди шилец шилец е силно нехомогено, но симетрично). Просторните товари кои се создаваат како резултат на претходна јонизација кај шилецот, ќе влијаат врз развојот на празнењето но различно, зависно од поларитетот на шилецот. Сл. 1. Настанување на корона во меѓурастојание шилец - плоча: лево: шилецот е позитивен; десно: шилецот е негативен. Сл. 2. Ефект на поларитетот. Исцрткана линија-почеток на короната; цела линијапробив Почеток на короната. Ако шилецот е позитивен, електроните кои ќе се ослободат во меѓурастојанието се движат кон него, и на својот пат ќе предизвикаат судирна јонизација образувајќи лавини, сл.1а. Кога тие лавини ќе дојдат до електродата, електроните ќе преминат во шилецот, а позитивните јони ќе останат околу него, движејќи се полека кон плочата. Просторниот товар кој е создаден од позитивните јони создава едно дополнително поле E q, чиј смер на дејствување е прикажан на сликата со стрелки (сл.1б). Како резултат на ова дополнително поле, јачината на полето во близината на шилецот ќе се намали, а во правецот на плочата ќе се зголеми (сл. 1в). Затоа, натамошната јонизација близу шилецот ќе ослаби, т.е. ќе се отежне исполнувањето на условот за самостојност на празнењето (почеток на короната). Значи, при позитивен шилец, почетокот на короната настанува при нешто повисок напон одошто би се очекувало, односно како ќе се види покасно, повисок одошто во случајот со негативен шилец. Љубомир Николоски ТВН-1 предавањебр.3: 42

44 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања Ако шилецот е на негативен потенцијал, електроните кои ќе се најдат близу до него веднаш се забрзуваат бидејќи се наоѓаат во јако поле движејќи се кон плочата и по патот обрзвуаат лавини. Откако електроните ќе се оддалечат од областа на силното поле, тие ќе успорат и не предизвикуваат понатамошни јонизации, но сепак се движат кон плочата, така што дел од нив ќе стигнат и влезат во анодата (плочата) а дел од нив, бидејќи се успорени од сударите по патот, ќе градат негативни јони со неутралните молекули на гасот. Сега околу шилецот ќе остане компактна маса на позитивни јони како просторен товар, кој многу битно го менува просторниот изглед на јачината на електричното поле, засилувајќи го близу шилецот, а ослабувајќи го во останатиот дел на меѓурастојанието. Распрснатиот негативен товар близу плочата битно не делува на распоредот на полето. Затоа интензивната јонизација близу до шилецот се засилува и исполнувањето на условот за самостојно празнење (појава на корона) се олеснува. На таков начин, напонот на почеток на короната при негативен шилец е понизок, одошто при позитивен. Пробив на меѓурастојанието. Кај меѓурастојанието шилец плоча ќе се докаже дека за пробив е обратно одошто за случајот на почеток на корона. Ако шилецот е позитивен, при натамошно заголемување на напонот, лавините се создаваат во областа на најсилното поле - десно од обемниот товар, (сл. 1в). Електронските лавини се слеваат со позитивниот полнеж и со тоа се создава зародиш на аноден стример, исполнет со плазма. Бидејќи оптоварувањата на плазмата се наоѓаат во нехомогено електрично поле, на врвот на стримерот ќе има извесен вишок на позитивен полнеж. Тој полнеж создава посилно поле пред главата на стримерот во однос на онаа јачина која била пред тоа. А ова и понатаму предизвикува создавање на нови лавини пред врвот на стримерот кои се всмукуваат во стримерот и така стримерот прораснува во меѓурастојанието секогаш имајќи зголемено поле на својот врв (глава). На таков начин, просторниот товар при позитивен шилец доведува до прораснување на стримерот кон спротивната електрода (плочата) односно го олеснува пробивот на меѓурастојанието. При негативен шилец, зголемувањето на напонот доведува до почеток на интензивна јонизација и создавање на голем број на лавини на делот од меѓурастојанието меѓу шилецот и и просторниот товар, каде јачината на полето е најголема (сл.1в). Заради тоа се создава поголем или помал хомоген плазмен слој околу шилецот, кој игра улога на екран (заклон) со поголем радијус на кривина одошто е самиот врв на шилецот. При уште поголем напон, интензивноста на јонизацијата расте, плазмениот слој се зголемува и до извесна степен се издолжува во правецот на електродите. Јачината на полето на надворешната површина на плазмениот слој постепено се зголемува, и почнува да се образуваат лавини десно од тој слој, што на крајот на краиштата доведува до создавање на катодни стримери. Создавањето на катодните стримери настанува во област на пониска јачина на полето во споредба со случајот на позитивен шилец, што го отежнува нивниот развиток. Брзината на овие стримери е за еден ред величина помала одошто на позитивните стримери. Како резултат на овие процеси, пробивниот напон при негативен поларитет на шилецот се 2 до 2,5 пати поголеми, одошто при позитивен. Оваа појава ја нарекуваме ефект на поларитетот на електродите. Пробивната јачина на полето при вакви меѓурастојанија при мали растојанија меѓу електродите (8-10 cm) изнесуваат од 8 до 10 kv/cm (сл.2) што е битно помалку одошто за случај на хомогено поле. Ефектот на поларитетот се јавува и кај наизменични напони. Во овој случај, пробивот во несиметричните меѓурастојанија се случува при позитивната полупериода на напонот на Љубомир Николоски ТВН-1 предавањебр.3: 43

45 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања шилецот, т.е. при напони битно помали од оние кои тоа меѓурастојание би ги издржало при негативниот полубран. А по;етокот на короната се слу;ува при негативната полупериода (при помали напони). Затоа ефектот на поларитетот е непожелен, а во изолационите конструкции се преземаат мерки за негова елиминација. Главно празнење. Премостувањето на стримерот на двете електроди на меѓурастојанието, иако претставува целосен пробив, сепак не е последна фаза на празнењето. Сл. 3. Развој на главното празнење (а, б, в) и распределба на јачината на електричното поле во каналот (г). Сл. 4. Шема на развиток на позитивен лидер. Бидејќи каналот 1 (сл.3) на стримерот претставува проводлива патека, и јачината на полето во него не е голема, стримерот игра улога на продолжение на електродата (шилецот), и потенцијалот на неговата глава е еднаков на потенцијалот на шилецот. Кога растојанието меѓу плочата и стримерот ќе стане доволно мало, јачината на полето во преостанатото уште не пробиено растојание 2 толку ќе порасне, што и во него ќе настане интензивна јонизација. Затоа тоа меѓурастојание ќе се претвори во плазма 3, каде густината на јоните е многу поголема одошто во стримерот. На границата на новоформираниот канал (плазмата) има голема јачина на полето и настанува едно брзо преместување на зоната на интензивна јонизација 4 во смер кон шилецот. Овој процес се нарекува главно или обратно празнење. Главното празнење се распространува во обратен смер од смерот на движењето на стримерот со брзина од 10 9 cm/s и создава меѓу електродите еден канал со висока проводливост, преку кој тече струјата на куса врска на изворот на напојувањето. (Јачината на струјата зависи од вкупната импеданса на колото, вклучувајќи го изворот и доводните проводници). Специфичности на развивање на пробивот во долги меѓурастојанија. Пробивот може да настане и во меѓурастојанија кои изнесуваат неколку метри (например во лабораторија), неколку десетици метри (каков што е примерот при пробиви кај надземните водови од висок напон за пренос на ел. енергија) или при уште поголеми растојанија, стотици и илјади метри, (каков што е случајот на ударот на молња меѓу облак и земја). Во овие случаи, механизмот на пробив има додатни специфичности. При такви растојанија, проводливоста на стримерот сеуште не е доволна за создавање на добро проводлив канал меѓу електродите, и по трагите на стримерот се појавува нов, таканаречен лидерен стадијум. Љубомир Николоски ТВН-1 предавањебр.3: 44

46 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања Да посматраме развивање на позитивен лидер, сл. 4. Електроните во каналот mk на позитивниот стример се вцицуваат во анодата. Ако концентрацијата на електроните е доволно висока, т.е. при доволно јака струја, во каналот на стримерот настанува термичка јонизација, што доведува до уште поголема концентрација на натоварени честички во него, т.е. доведува до зголемена проводливост и до натамошен пораст на струјата. Како резултат на ова каналот на стримерот се претвора во плазмен канал со поголема проводливост - наречен - лидер, mn (сл.4а). Овој процес започнува кај електродата каде низ пресекот на каналот на стримерот минува целиот поток на електроните, и се распростира кон главата на стримерот. (Однадвор овој процес се манифестира како брзо простирање на силно светење). Кога лидерниот канал ке дојде до крајот на стримерот, (сл.4б) настапува пауза, за кое време настанува образување на нов стример kl (сл. 4в), а потоа настанува натамошно движење на лидерот. Настанувањето на нови стримери се олеснува од фактот што лидерот заради неговата висока проводливост можеме да си го замислиме како метален шилец, кој произлегува од електродата и кој обезбедува висока јачина на полето на својот крај. Затоа, во долгите меѓурастојанија празнењето се развива при средни јачини на полето E од редот на величина 1-2 kv/cm {to e neobi~no malku), при што колку е подолго меѓурастојанието, толку е помало E. Значи, условите за движење на лидерот се исполнети локално (на неговиот врв). Концентрацијата на товарите во каналот на лидерот изнесува јони/cm 3, а струјата на лидерот - стотина ампери. Сл. Негативен лидер Создавањето на негативен лидер настанува на аналоген начин, единствено кое е различно е што струјата на електрони се движи од електродата кон главата на стримерот. При развивање на нови стримери од електронски лавини во длабочината на меѓурастојанието навлегуваат електрони, т.е. во неизолираната област се создава волуменски негативен товар, кој го отежнува придвижувањето на лидерот. Затоа, пробивот на меѓурастојанието настанува при повисоки напони. При придвижувањето на лидерот во длабочината на меѓурастојанието, на неговиот крај се појавуваат повеќе стримери и секој од нив претставува можен правец на понатамошно развивање на лидерот. Некој правец е толку поверојатен, колку е тој стример подобро јонизиран, но скршнувањето како и самото развивање на стримерот има случајна природа. Со оваа причина се објаснува и разгранетиот облик на на патот на празнењето во големите меѓурастојанија, например што е често кај молњите. Кога лидерот ќе допре до спротивната електрода, започнува главното празнење. Визуелно, главното празнење има вид на силно светење, посилно одошто она на лидерот, светење кое се распростира (движи) во смер обратен на движењето на лидерот (исто како и при стримерен стадијум на празнењето). Брзината на развивање на главното празнење во долги меѓурастојанија достигнува до 10 9 cm/s. Љубомир Николоски ТВН-1 предавањебр.3: 45

47 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања Начини на зголемување на електричната цврстина на воздушните меѓурастојанија Еден од начините на зголемување на електричната цврстина на меѓурастојанијата е по пат на зголемување на радиусот на кривината на електродите, давајќи им соодветна форма или прицврстувајќи на нив нови додатни помалку закривени електроди (екрани) (сл. 4.10). На тој начин се зголемуваат како почетните, така и пробивните напони заради намалувањето на степенот на нехомогеноста на електричното поле. Сл Примена на додатни електроди за намалување на степенот на нехомогеноста на електричното поле. а без додатни, b со додатни електроди За повишување на електричната цврстина на гасовите се користи исто така и длабок вакуум, но и зголемување на притисокот на гасот. Но треба да се има предвид дека во силнонехомогени полиња кај електронегативните гасови (кислород, воздух) се јавува т.н. аномалија на празнењето : при позитивен поларитет на шилецот и при притисоци меѓу 0,6-1,0 Mpa, пробивните напони нагло опаѓаат за 1,5 до 2 пати, а потоа, при поголеми притисоци пак растат, но побавно. Затоа, при зголемени притисоци и при силнонехомегени полиња треба да се применат електропозитивни гасови (например, азот) или да се ограничиме на притисоци од 0,4-0,6 Mpa. Друг начин за зголемување на електричната цврстина на меѓурастојанијата е примена на диелектрични бариери. Бариерите се поставуваат само кај коронирачките меѓурастојанија, и тоа нормално на силовите линии на електричното поле. Бариерите, всушност, се тенки плочи од диелектрик кој е непропустлив за јоните. Дејството на бариерите се засновува на таложење на електричните товари врз нив. Поларитетот на товарите кои се таложат е со ист знак како и електродата која коронира. Како резултат на тоа се снижува јачината на електричното поле меѓу електродата која коронира и бариерата, а ова доведува до зголемување на цврстината на тоа меѓурастојание. Јачината на електричното поле меѓу бариерата и другата електрода се зголемува, но бидејќи таму сега полето е похомогено, електричната цврстина и на тој дел сега е поголема, па така и на целото меѓурастојание. Електричната цврстина на меѓурастојанието со бариера зависи од местоположбата на бариерата (сл. 4.11). Најголема цврстина се постига ако бариерата се постави на такво растојание, што да биде поблиску до електродата која коронира, и тоа на растојание од 1/4 до 1/6 од вкупното меѓурастојание. Електричната цврстина пораснува приближно 2 до 3 пати, ако коронирачката електрода е позитивна, а само 1,2 до 1,3 пати, ако е негативна. Ако обете електроди коронираат, тогаш бариери се поставуваат во близина на секоја електрода. Влијанието на бариерите се чувствува и при наизменични и при ударни напони. Но при ударните напони е сосема слабо, бидејќи поради нивното кусо траење, нема време да се развие просторен товар и да се натрупа врз бариерата. Пробивот во силнонехомогено поле при наизменичен напон се случува во позитивната полупериода на шилецот, кога пробивните напони на меѓурастојанието се пониски. Затоа, при наизменичен напон бариерите исто така делуваат на зголемување на пробивниот напон. Љубомир Николоски ТВН-1 предавањебр.3: 46

48 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања Сл Лабораторија за висок напон. На апаратите се гледаат дополнителни електроди за регулирање на полето Тие се монтирани монтирани на места каде во погонот владее висок напон и без нивно присуство, ел. поле би било многу силно Изградени се од метален лим во форма на торуси, двојни торуси или затворени сфероидни површини (овие се изградени од многу поединечни метални електроди со специјален облик, сите галвански поврзани). (Mississipi state University, USA) x 1 b Сл Зависност на прескочниот напон на меѓурастојанието шилец рамнина од положбата на диелектричнатабариера. 1-позитивен шилец; 2- негативен шилец. Со испрекинати линии се дадени прескочните напони при отсуство на бариерата. 2 Прашања 1. Наведи примери на меѓуелектродни растојанија во гас кои припаѓаат на нехоогено несиметрично поле, а кои на нехомогено симетрично поле. 2. Objasni go efektot na polarnosta za nesimetri~ni i nehomogeni elektri~ni poliwa. Posmatraj pozitiven {ilec. Razjasni go nastanuvaweto na po~etok na koronata i probivot 3. Isto kako vo pra{awe 3, no posmatraj negativen {ilec! 4. [to e toa glavno praznewe i opi{i go procesot na negovoto odvivawe. 5. Opi{i go probivot vo dolgi me uelektrodni rastojanija vo vozduh. Neka elektrodata od koja zapo~nuva prazneweto e pozitiven {ilec. 6. Isto pra{awe kako 5, no elektrodata da e negativen {ilec. 7. Kako mo`e da se zgolemi elektri~nata cvrstina na vozdu{ni me urastojanija? 8. Objasni kako so pomo{ na barieri se dobiva zgolemena dielektri~na cvrstina na me urastojanija so silno nehomogeno pole. 9. [to e toa strimer i pri koi uslovi nastanuva? [to e toa glavno praznewe i pri koi uslovi nastanuva? 10. So crte` i zborovi objasni go procesot na celosen probiv vo nehomogeno nesimetri~no pole. 11. So crte` i zborovi objasni {to e toa lideren stadijum na prazneweto vo gas i pri koi uslovi toj se pojavuva? Љубомир Николоски ТВН-1 предавањебр.3: 47

49 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г Статистичка распределба на пробивните напони и нивната веројатност Сите стадијуми на празнењето (пробивот) во гасните меѓуелектродни растојанија (меѓурастојанија) се подчинуваат на статистичките закономерности. Појавата на почетниот електрон, развитокот на лавините и стримерите, - сето тоа зависи од различни микроскопски процеси, секој од кои има случаен карактер и зависи од такви влијанија, какви што се, на пример, делувањето на надворешниот јонизатор, присуството на прашинки во гасот, случајната взаимна положба на молекулите во гасот и т.н. Затоа, и пробивниот напон на меѓурастојанието исто така е случајна величина, чиј износ се менува од еден обид во друг. Ако претпоставиме дека при експерименти со електричен пробив во некое гасно меѓуелектродно растојание при исти услови се случиле n пробиви, тогаш средната вредност на пробивниот напон е: k n = = U pk k U p = 1 (1) n каде U pk е пробивниот напон при k -тото испитување. Растурањето на поедини вредности на пробивниот напон U pk во однос на средната вредност U p се карактеризира со средноквадратното отстапување σ, кое се вика стандардна девијација на распределбата: k = n = ( U U p ) pk 2 k 1 σ = (2) n 1 Стандардната девијација се изразува во исти единици како и U p (единици за напон) σ σ но и релативно во однос на U p, например како или во проценти од U p ( 100 ). Според теоријата на веројатноста, растурањето на експерименталните вредности врз кои имаат влијание поголем број независни случајни фактори (а токму ваков е случајот на пробивен напон во гасови) мора да се потчинува на т.н. нормален закон на распределбата (уште познат и како Гаусов ): 2 1 ( ) ( U ) p U p ϕ U = exp p (3) 2 σ 2π 2σ Во оваа форма, нормалниот закон е даден во т.н. диференцијална форма и функцијата ϕ ( U p ) се вика диференцијална крива на распределбата, (сл.1). Таа крива ја прикажува густината на распределбата на пробивните напони. Очигледно е дека сумата P k Δ U за сите интервали на напонот Δ U треба да биде еднаква на 100% (или единица во релативни единици) или, на друг начин кажано, плоштината огранична со кривата ϕ ( U p ) и абсцисната оска во границите од U min до U max еднаква е на единица: U U max min ( U p ) du = 1 ϕ (4) U p U p Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 48

50 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 49 Сл. 1. Диференцијална ϕ ( U p ) и интегрална ψ ( U p ) крива на распределбата на пробивните напони. Диференцијалната крива на распределба на пробивните напони и стандардната девијација на распределбата утврдуваат низа важни односи меѓу напоните кои делуваат и веројатноста за пробив, на пример, може да послужи да се одреди нивото на испитни напони. За таа цел, да определиме точки оддалечени од двете страни на средниот износ на пробивниот напон U p за износ на стандардната девијација σ. Тогаш плоштината која е ограничена со вертикалите U p σ и U p + σ меѓу кривата и апсцисната оска ќе опфаќа 76% од сите пробиви, соодветната плоштина меѓу вертикалите U p 2σ и U p + 2σ ќе опфаќа 95% од пробивите, а плоштината меѓу U p 3σ и U p + 3σ ќе ги содржи 99,5% пробиви од сите посматрани експерименти (сл.1). Според тоа, ако усвоиме за испитен напон U p 2σ, тогаш веројатноста за пробив при многукратно повторување на испитувањето ќе изнесува 2,5%, а при U = U p 3σ - само 0,2%. isp ψ на распределбата на пробивните напони (сл.1). Секоја од ординатите на интегралната крива (која одговара на некоја вредност на напонот U p ), претставува веројатност за тоа, во дадениот експеримент пробивниот напон U p да биде равен или помал од U. На таков начин, i интегралната крива го дава законот на распределбата на пробивните напони. Интегралот на функцијата ϕ ( U p ) ја дава интегралната крива ( U p ) Интегралната крива на распределбата по својата форма е слична на кривата на веројатноста на пробивот F ( U ), а која е позната и под терминот крива на ефектот и која покажува колкав дел од спроведените експерименти при даден напон ќе резултираат со пробив, а колкав дел нема да предизвикаат пробив. Кривата на ефектот и кривата на распределбата на веројатноста за напонот овозможуваат да се решат низа технички задачи, например, да се утврди нивото на испитните напони, да се оцени веројатноста на пробивот при испитување со повишени напони, да се одреди сигурноста за работата на изолационите уреди во различни услови на експлоатација. Како пример, да го разгледаме одредувањето на веројатноста за пробив на воздушно F U и ако е зададена функцијата меѓурастојание, ако е позната неговата крива на ефектот ( ) Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 49

51 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 50 ϕ (U ) на распределбата на амплитудите на напоните кои делуваат (се приложуваат), например, при спроведување на некое испитување (сл.2) Сл. 2. Одредување на веројатноста за пробив на меѓурастојанието. Пробивот на меѓурастојанието е очигледно можен во границите на напони меѓу U A и U B (под U A кривата на ефектот е 0, а над U B немаме испитен напон со таква амплитуда). При некој напонu k кој се наоѓа меѓу U A и U B, веројатноста за пробив според кривата на ефектот е P ' '' k = F( U k ), а веројатноста за појава на толкав напон U k е еднаква на P k. Според '' ' тоа, од P k можни вредности на пробивниот напон U k, само еден нивни дел, имено P k ќе ' '' завршат со пробив. P k = Pk Pk. На таков начин, веројатноста за пробив при напон U k ќе биде ' '' еднаква на P k = Pk Pk. Целосната веројатност во интервалот ќе ја добиеме со сумирање на таквите производи за целиот интервал на напони од U A до U B : B ' '' PA B = Pk Pk. A Ако преминеме кон бесконечно мали интервали, ќе добиеме: ( U ) F( U ) P = ϕ du, (5) A B B A т.е. веројатноста за пробив е еднаква на плоштината огранична со апсцисната оска и ' '' анвелопата на кривата PA B, чии ординати претставуваат производи P k P k за соодветните напони Пробив во воздушни меѓурастојанија при импулсни напони Време до пробивот и неговите компоненти Досега при разгледувањето на пробивот ние не водевме сметка за долготрајноста на приложениот напон. Притоа се подразбираше дека времето на делувањето на напонот е доволно поголемо од времето потребно да заврши празнењето 1 (пробивот). Во праксата, врз изолацијата често делуваат напони со многу кусо траење. Такви се например, импулсните, кои настануваат при удар на молња директно во електротехничките постројки или во нивната близина. Таквите импулсни напони ги нарекуваме атмосферски импулси и тие се апериодични. Делот од импулсот каде напонот расте од нула до 1 ovde pod poimot praznewe }e razbirame probiv, dokolku ne e poinaku re~eno Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 50

52 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 51 максимална вредност го нарекуваме чело (катрактеризирано со времетраење на челото), а делот каде напонот се намалува после максималната вредност, го нарекуваме грб на импулсот (карактеризиран со времето на траење на импулсот). За дефинирањето на обликот на импулсот односно за дефиницијата на времињата на челото и траењето види сл. 2). Времињата се даваат во микросекунди, например, T T 1,2 / / 2 = Да претпоставиме дека импулс на напон е приложен на едно воздушно меѓурастојание за кое напонот на појава на самостојно празнење е U o (сл.1) Сл. 1. Компоненти на времето на празнење: I-чело на импулсот; II- грб на импулсот Очигледно е дека се до точката 1, каде U < U o, не може да започне празнењето во меѓурастојанието. Во точката 1 празнењето по правило сеуште не мора да започне, затоа што за неговото настанување потребно е во меѓурастојанието да постои барем еден ефективен електрон (т.е., електрон способен да образува лавина). Процесот на образување на слободни електрони во едно меѓуелектродно растојание во гас е случаен статистички процес, и затоа времето за појава на првиот ефективен електрон t c се вика статистичко време на закаснување. Затоа, празнењето започнува во точката 2, и завршува во точката 3 после одредено време t f, за кое настанува формирање на празнењето (наречено време на формирање на празнењето). Така, вкупното време на празнењето (пробивот) се состои од 3 компоненти, tp = t1 + tc + t f, при што и сумата tc + t f често се нарекува време на закаснување на празнењето. Средното статистичко време на закаснувањето на празнењето зависи од карактерот на полето (дали е хомогено или нехомогено, каква му е конфигурацијата), од материјалот на катодата, од величината на приложениот напон и од интензивноста на надворешниот јонизатор. Тоа е помало ако се намали излезната работа на електроните од површината на електродата, ако се зголеми напонот и растојанието меѓу електродите и ако се зголеми интензивноста на надворешниот јонизатор. Кај силно нехомогените полиња, статистичкото време на закаснувањето е помало и помалку е зависно спомнатите фактори во споредба со хомогеното и слабо нехомогеното поле. Тоа се објаснува со фактот што образувањето на ефективни електрони во силно нехомогено поле пред се се случува при силните јачини на електричното поле близу до електродата со мал радијус на кривина, уште и пред да порасне напонот до неопходниот износ U o. Како што се виде и досега, електричното празнење (пробив) мора да ги помини следните три стадијуми: 1. Изминување на патот x k од страна на примарната лавина; 2. Распространување на стримерот по целата должина на меѓуелектродното растојание, и 3. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 51

53 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 52 Развојот на обратното (главното) празнење. Времето на развојот на главното празнење е занемарливо мало во однос на првите две компоненти (стадијуми) и затоа можеме да сметаме дека времето на формирањето на празнењето t f е определено од долготрајноста на лавинскиот и стримерниот стадијум. При зголемување на приложениот напон се зголемуваат брзината на лавините и стримерите. Затоа, времето на формирањето на празнењето t f се намалува во сите видови полиња при зголемувањето на приложениот напон. Сл. 3.Снимање на Волт Секундна ( u t) карактеристика на изолацијата: а испитна шема; б снимк со осцилоскоп. Бидејќи двете компоненти на времето на закаснувањето на празнењето зависат од напонот, затоа и времето до пробивот при разни приложени напони ќе биде различно. Зависноста на средното време до пробивот од амплитудата на приложениот напон се вика волт-секундна ( u t) карактеристика на пробивното меѓуелектродно растојание во гасот (или воопшто, во било која изолација). Бидејќи времето до пробивот исто така зависи и од формата на приложениот напон, затоа при експереименталното одредување на ( u t) карактеристиката се применува импулс со стандардна форма, т.е. импулс со дефиниран износ на траењето на челото T c и должината на имулсот T i. Стандардниот атмосферски импулс кој се произведува во лабораториите за висок напон со помош на т.н. ударен генератор одговата по форма на атмосферскиот пренапон кој најчесто делува врз изолацијата во експлоатацијата. Начинот на одредувањето на времето на челото T c и на траењето на импулсот T i даден е на сликата 2 и тој е во согласност со порано опишаната (на вежби) дефиниција за ударен атмосферски бран 1,2/50 ( μs/ μs). Сл. 2. Одредување на должината на челото ( T f ) и траењето ( T i ) на стандарден импулс 1,2/50. Со испрекинати линии е прикажан т.н. пресечен импулс. Сл. 4. Волт Секундна карактеристика на меѓуелектродни растојанија. 1-кривата е одредена како интерполација низ множество измерени точки; 2-изглед на карактеристиката во хомогено поле; 3- изглед на карактеристиката во нехомогено поле. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 52

54 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 53 Толеранцијата за времето на челото е ± 30%, а за траењето е ± 20%. Понекогаш, при испитувањето на изолацијата наместо цел импулс, се применува пресечен, со траење (2-3) μs (сл. 2). Експерименталното одредување на волт - секундната карактеристика се врши според шемата на сликата 3а. Изворот на стандардни импулсни напони е означен со ГИН (од: Генератор за Ударен Напон ), а приложениот напон на испитуваниот објект ИО се регистрира со помошта на електронски осцилограф ЕО кој се вклучува преку делител на напони R1/ R2. Одредувањето на ( u t) карактеристиката почнува со помали пробивни напони, и при тоа за секој напон се снимаат не помалку од 5 осцилограми, со цел да се одредат сите можни интервали на растурање на времето до пробивот. При мали напони пробивот настанува при грбот на импулсот (сл.3б), а при поголеми на челото (сл. 3в). На сликите 3б и 3в означени се точките на ( u t) карактеристиката кои се одредени со помош на осцилографот. Множеството добиени точки образува некоја област, која на сликата 4 се прикажува со испрекинати линии. Како волт секундна карактеристика обично ја нарекуваме кривата која минува низ средината на таа област, со обавезно укажување на отклонувањата од таа средна крива. Во силно нехомогените полиња времето до пробив многу зависи од приложениот напон, и затоа ( u t) карактеристиката во тој случај ќе биде многу закривена нагоре при мали времиња до празнењето (ред на величина од неколку микросекунди, крива 3 на сл. 4). Во хомогени и слабонехомогени полиња, ( u t) карактеристиката ќе биде полегната (крива 2 на сл. 4), а наглиот пораст се јавува при мали пробивни времиња од 1 μs и помали). Тоа се објаснува со фактот што во такви полиња времето до пробивот во основа е одредено од статистичкото закаснување, а тоа се намалува при зголемени напони. Волт - секундните карактеристики имаат големо значење за кординацијата на изолацијата. На пример, за заштита на изолацијата на опремата од пренапонски бранови, паралелно на неа се вклучува одводник или искриште. Очигледено е дека u t карактеристиката на одводникот во сите свои точки треба да лежи под u t карактеристиката на штитената изолација. Ако карактеристиката на одводникот се пресекува со карактеристиката на изолацијата (крива 3 на сл. 4), тогаш при некои амплитуди на импулсот U, изолацијата ќе се повреди порано одошто сработи одводникот (На сликата 4 кривата 3 нека ја претстставува u t карактеристиката на одводникот, а кривата 1 - карактеристиката u t на штитената изолација). Упростено конструирање на вол-секундната карактеристика може да се направи според равенката T U t = A 1 +. t p Во оваа формула A и T се константи кои се наоѓаат пресметковно за дадено меѓуелектродно растојание со помош на две точки од u t карактеристиката кои се добиени експериментално. (Се формира систем од две равенки со две непознати A и T кои се одредуваат со решавање). Потоа, задавајќи го времето до пробив t p, се пресметува соодветната вредност за U t и така се црта целата карактеристика. Да се снимат целосни U t карактеристики на експериментален начин е многу тешко, и затоа наместо тоа се користат две карактеристични величини. Едната од нив е Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 53

55 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 54 таканаречениот 50% пробивен напон (уште означен како U 50% или U o, 5 ). и претставува амплитуда на импулсен напон при чија многукратна примена на меѓурастојанието пробивот настанува во 50% од сите применети случаи. Тој напон е за малку поголем од минималниот импулсен пробивен напон и одговара на хоризонталниот дел на u t карактеристиката и на времето до пробивот 6-10 μ s. Односот на 50% - ниот пробивен напон кон амплитудата на пробивниот напон U o при долготрајно делување (например 50 Hz) се означува со k i и се вика коефициент на импулсот: U 0,5 k i = (7) U o,max За хомогени полиња е k i 1, а за нехомогени е k i > 1. Друга карактеристична величина е пробивниот напон при време на пробив од 2-3 μ s, и тој се означува со ознаката U 2 μ s Пробивни напони на воздушни меѓурастојанија според експериментални податоци Рековме дека пробивните напони се намалуваат со зголемувањето на степенот на нехомогеноста на електричното поле. Затоа, за приближна оценка на очекуваните пробивни напони, често се користат резултатите добиени по експериментален пат за систем електроди шилец - шилец и шилец - плоча. Пробивните напони за системот шилец - шилец и шилец - плоча всушност се најмалите во однос на систем електроди со некоја друга форма. Затоа, пробивните напони за други симетрични системи електроди, како што се торус - торус, цилиндричен проводник - шилец, се оценуваат со приближна споредба со пробивните напони на системите шилец - шилец, а пробивните напони за несиметрични системи (какви што се системите сфера - плоча, торус - плоча, цилиндричен проводник - плоча) се оценуваат со приближна споредба со пробивните напони на системот шилец - плоча. Одредувањето на пробивните напони на воздушните меѓурастојанија при напони со индустриска фреквенција се врши со бавно подигање на напонот до пробив, со брзина од 3% (во секунда) од очекуваниот пробивен напон. Заради малата брзина на пораст на напонот, малку е веројатно дека ќе се поклопат случајни фактори кои влијаат врз пробивните напони. Затоа, условите при испитувањата одговараат на испитувањата при долготрајно делување на напонот. Растурањето на експерименталните вредности е мало (σ не е поголемо од (1,5-2)%). Од сликата 1, на која се претставени пробивните напони за системите ш-ш и ш-п се гледа дека при растојанија до 1 м нивните пробивни напони се разликуваат незначително и дури при поголеми растојанија кривите доста се раздалечуваат. Ова сведочи за тоа, дека симетријата на електричното поле на електродите покажува побитно влијание кај долгите меѓурастојанија. Треба исто така да се напомне дека пробивните напони за системот шилец - шилец кои се дадени на сликата 1 се добиени при висина на долниот шилец од n > 3S над нивото на земјата, во кои услови влијанието на земјата на формирањето електричното поле во најкритичните делови е занемарливо. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 54

56 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 55 Слика 1: Пробивни напони за електроди тип шилец - шилец и шилец - плоча при напони со индустриска фреквенција. Сл. 2. Пробивни напони за импулси 1,2/50 за систем електроди ш-п (1 и 4) и ш-ш (2 и 3). Експериментите покажуваат дека ако се намалува оваа висина, влијанието на земјата станува се посилно врз конфигурацијата на електричното поле и тогаш пробивниот напон за овој систем се приближува кон оној на системот шилец - плоча, а тоа значи дека пробивните напони се намалуваат и нивните износи ќе се наоѓаат некаде меѓу двете криви. Според тоа, за добивање на поточни резултати од експериментите, при меѓурастојанија со поголеми димензии, треба многу верно да се репродуцира вистинската конфигурација на електричното поле на меѓурастојанието. На пример, при експериментално одредување на пробивниот напон меѓу проводникот и конзолата на столбот (случај на надземен воздушен вод), или проводник према столбот, треба макетите со кои се вршат испитувањата да имаат точни размери на конзолата и столбот, а исто така и висината на конзолата над земјата. Пробивните напони на меѓурастојанието шилец - плоча при должина до 2m при наизменичен напон и позитивен поларитет на еднонасочниот напон на шилецот, практично се исти. Специфичностите на развитокот на пробивот при краткотрајни напони најочигледно се прикажани на примерот електроди шилец-шилец и особено шилец - плоча, кои имаат најсилно нехомогено поле. Кривите на сликата 2 покажуваат дека при импулсни напони исто така постои ефект на поларноста, но тој се јавува во помал степен одошто е тоа случајот кај долготрајните напони. При подолги времиња на челото на импулсот (сл.3) пробивните напони се снижуваат (крива 3). Истражувањата покажале дека напонот U 0, 5 достигнува минимум при некоја критична должина на челото T ckr, а потоа со растењето на T c, полека расте и се приближува до пробивниот напон при еднонасочни напони. Критичната должина на челото се зголемува пропорционално на должината на меѓурастојанието, и на пример, за S = 2m е = 100μs, а за S 20m е = 1000μs. T ckr T ckr Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 55

57 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 56 При делувањето на импулсните напони, заради физичките својства на развитокот на празнењето, постои битно поголемо растурање на пробивните напони. Сл. 3. Пробивни напони на меѓурастојанијата шилец - плоча при кратковремено делување на напонот. 1,2: T c = 1,2 μ s ; 3: T c =2500 μ s (1- негативен поларитет; 2,3, - позитивен поларитет) Во праксата често има случаи, кога импулсниот напон дејствува истовремено на повеќе паралелно вклучени меѓурастојанија. Например, количеството на изолаторски низи на надземните преносни водови кои се подвргнати на едновремено делување на пренапоните, може да биде повеќе стотици или дури и илјади. Заради едноставност, ќе сметаме дека кривите на ефектот P pr ( U ) за секое меѓурастојание се еднакви (кривата 1 на сл. 4). Тогаш веројатноста за пробив во било кое од n паралелно вклучени меѓурастојанија може да се одреди според теоријата на веројатноста: n 1 P = 1 1 P U (1) [ ] n ( ) [ ] pr На пример, при = 1 0, pr () 1 ( U ) = 0, 05 P pr и = 200 P 200 U = 1 1 0, 05 pr = n, се добива ( ) ( ) 200 Сл. 4. Влијание на бројот на паралелно вклучени меѓурастојанија на изгледот на кривата на ефектот. Според тоа, иако веројатноста за пробив на едно меѓурастојание е мала (само 5%), во системот со поголем број меѓурастојанија, веројатноста за пробив е практично 100%. Од формулата (1) следува дека при зголемување на n, кривата на ефектот се преместува налево. () 1 Ако се смета дека кривата P pr ( U ) се покорува на нормалниот закон на распределба при било кои напони, тогаш за n = 100, 1000 и се добиваат соодветните криви 2,3 и 4 од сликата 4, кои се поместени налево, во областа на мали напони. Исто така, експерименталните Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 56

58 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 57 податоци покажуваат дека при отклонување на напонот од U pr за повеќе од ± 3σ, нормалната распределба на напоните се нарушува, и при U < U pr 3σ, веројатноста за ( 1 пробив практично е еднаква на нула, ) ( P pr ( U ) = 0. Во тие услови нула ќе биде и P n ) pr ( U ), т.е. при n кривата на ефектот ќе има изглед на вертикална права која минува низ точката U pr 3σ (кривата 5 на сл. 4) и претставува долна граница за пробивниот напон. Аналогна појава на снижување на пробивните напони постои и при пробив на изолација која има поголема површина на електродите, и според тоа и поголем број на делови со снижен пробивен напон (на пр. при кондензатори со хартиена изолација). Пробивните напони во воздухот зависат од неговата релативна густина (види порано) и од влажноста. Зголемувањето на влажноста на воздухот предизвикува зголемување на пробивните напони. Тоа се објаснува со фактот што водената пареа е електронегативна и при нејзино поголемо присуство во воздухот, настанува поинтензивно зафаќање на слободните електрони и формирање на негативни јони и така се намалува концентрацијата на јонизираните честички во меѓурастојанието и пробивните напони се зголемуваат. На таков начин, сите експериментални податоци за пробивните напони на меѓурастојанијата се однесуваат на нормална густина и влажност на воздухот (11 грама водена пареа во 1 m 3 воздух на 20 о C) и ако сакаме да ги пресметаме пробивните напони од нормалните, потребно е да се користи равенката: U pr при услови различни U pr, nδ U pr = (2) k каде U pr, n е пробивниот напон за нормални услови; k - е поправен коефициент за влажноста. Влијанието на влажноста расте со растењето на степенот на нехомогеноста на полето и долготрајноста на делувањето на напонот. За хомогено поле тоа влијание е толку мало, што и не се зема предвид ( k 1). За нехомогени полиња, коефициентот k лежи во границите 0,8-1,2, зависно од степенот на нехомогеноста на полето, видот на напонот и влажноста (за нормална влажност е k = 1. Коефициентот k се определува од графици и соодветни прирачници. Пробивните напони во гасовите исто така зависат и од фреквенцијата. Ако фреквенцијата се зголемува од 50 на Hz, тие нема битно да се изменат, а понатаму, при повисоки фреквенции, ќе се намалуваат за да ја достигнат минималната вредност при фреквенции од Hz. (која е за 15 до 20% помала од вредноста при индустриска фреквенција). Ова снижување на U pr при високи фреквенции се објаснува со влијанието на позитивните товари, кои остануваат во меѓурастојанието после првата полупериода и ја зголемуваат јачината на полето во следниот полупериод. При фреквенции над Hz, одново настанува зголемување на пробивните напони и тие може дури и да ги надминат износите за 50 Hz. Оваа појава се објаснува со фактот што при многу високи фреквенции, времето на делување на напонот за еден полупериод станува од ист ред на величина со времето до пробивот, и за неговио завршување потребно е да се зголеми напонот (ист ефект како и кај импулсните напони). Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 57

59 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г. 58 Прашања 1. Ако се вршат експерименти на пробив на едно гасно меѓуелектродно растојание, дефинирај: средна вредност на пробивниот напон; стандардна девијација; Во кои единици се изразуваат овие величини? 2. Што е тоа нормален или Гаусов закон на распределвба на една случајна величина? Илустрирај го објаснувањето со појавата на пробив во едно гасно меѓуелектродно растојание. 3. Објасни што е тоа диференцијална форма на нормалниот закон на распределбата. Употреби зборови, дијаграми и формули за да го објасниш значењето. 4. Исто како прашањето бр. 3, но за интегралната крива. 5. Што е тоа крива на ефектот и како изгледа таа? 6. Да се одреди веројатноста за пробив на едно гасно меѓуелектродно растојание ако е позната кривата на ефектот ( U ) напонот кој делува ϕ ( U ) (според подолните слики). F за растојанието и функцијата на распределбата на амплитудите на 7. Објасни зошто е потребно одредено време за да се изврши процесот на електрично празнење (пробив) во едно меѓуелектродно растојание и кои неговите компоненти. Дали тие компоненти зависат од некои влијателни величини и како? 8. Што е тоа закаснување на процесот на празнење и од што зависи тој? 9. Што е тоа волт - секундна карактеристика на едно меѓуелектродно растојание. Како изгледа таа, и од кои влијателни величини зависи нејзиниот облик? 10. Опиши го лабораторискиот метод на одредување на волт - секундната карактеиртстика на едно меѓуелектродно расртојание. 11. Зошто е важно познавањето на волт-секундната карактеристика на едно гасно или друго меѓуелектродно растојание или изолациона конструкција? 12. На подолнитре слики со 1 дадена е волт-секундната карактеристика на едно заштитно средство од пренапони, а со 2 дадена е волт-секундната карактеристика на штитената изолација. Коментирај дали и колку е добра заштитата во секој конкретен случај. Кога постои и кога не постои заштита? 13. Користејќи ја равенката (6) и две експериментално добиени точки од волт-секундната карактеристика, да се табелира и нацрта истата (зададено: За U 250 kv се добило t1 = 3μs и за U 230 kv се добило t = 1 15μs. p1 = p1 = Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 58

60 ФЕИТ: Техника на висок напон-1, предавања, 2012г Што е тоа 50% пробивен напон на едно меѓуелектродно растојание во гас? 15. Што е тоа коефициент на импулсот k i, а што е U 2 μ s? 16. Посматрај конфигурации на електроди шилец - плоша и шилец -шилец. Какво е електричното поле? Која конфигурација има поголем пробивен напон. Дали полариртетот игра улога? Зошто експерименталните резултатаи за пробивниот напон на овие конфигуреации се важни? Ккво е влијаноието на околните заземјени предмети (например земјата) на пробивните напони во овие или други конфигурации? 17. Какво евлијанието на бројот на паралелно приклучени меѓурастојанија во гас врз кривата на ефектот? Објасни го тоа со зборови и цртеж. Дали оваа појава се однесува и за цврсти изолациони конструкции? 18. Какво е влијанието на влажноста врз пробивните напони на меѓуелектродните растојанија во воздух и како тоа се зема предвид? 19. Какво влијание има фреквенцијата врз пробивните напони во воздушни меѓуелектродни растојанија? 20. Каква е распределбата на пробивните напони на едно гасно меѓурастојание? Со кој закон на распределба се карактеризира? Кои се најважните параметри за таа распределба и како тие се дефинираат. Согласно на таа теорија, кој е минималниот пробивен напон? Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр. 4 59

61 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Коронско празнење на преносните водови за висок напон 5.1. Општо Како што се нагласи, короната претставува лавинско - стримерна форма на самостојно празнење. која е карактеристична за силно нехомогено ел. поле. Во такво поле, ако е исполнет условот за самостојност на празнењето, стримерите кои се формираат не се во состојба да го премостат целото растојание меѓу електродите, и јонизацијата се ограничува на мала област близу до електродата со мал радијус на кривина (коронска обвивка). Короната се манифестира со светење во вид на ореол кој ја опфаќа електродата која коронира, откаде го добила и името. Таа се одликува и со загуби на електрична енергија, електромагнетни високофреквентни осцилации и електромагнетно зрачење (бранови), низа на хемиски реакции во гасот (воздухот), конкретно, во обрзување на на азотни оксиди и озон, а исто така и со акустичен шум и механички вибрации. Физичката слика на короната обично се изучува на меѓурастојанието игла - плоча, каде јонизацијата се случува во мал простор околу врвот на иглата, каде јачината на полето е најголема. Ако се мери струјата на короната ќе се забележат следните појави. При негативен поларитет на иглата, изгледот на струјата на короната е во форма на кратки ( μ s ) импулси кои се повторуваат во правилни временски растојанија и чија амплитуда изнесува 6-8 μ А. (сл.1а). Ако се зголеми напонот, зачестеноста на импуслите расте (ќе се зголеми и средната јачина на струјата) но нивната аплитуда и форма не се менуваат (сл.1б). При позитивен поларитет на иглата (сл.1в), импулсите се развиваат хаотично и често се суперпонираат еден врз друг. Сл. 1. Струјата на короната во меѓурастојание игла плоча а,б, - негативна игла; в позитивна игла Сл. 2. Корона при еднонасочен напон на цилиндрични проводници: а) монополарна корона; б) биполарна корона; в) зависност на струјата на короната од напонот: 1-монополарна при напон U; 2- биполарна при напон 2U; 3-претпоставена сума на две монополарни корони при наопон U и +U При значителни размери на електродите (например кај проводници) короната се јавува едновремено во голем број точки и одделните импулси се слеваат, создавајќи така непрекината сумарна струја. Ако напонот се зголемува, короната опфаќа се поголема површина на проводникот и струјата на короната притоа го губи својот импулсовиден карактер. Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 60

62 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Најголем практичен интерес претставува короната на проводниците кај водовите за пренос на ел. енергија, бидејќи при тоа настануваат поголеми загуби на електрична енергија и знатни пречки заради електромагнетните осцилации Корона на проводниците при еднонасочен напон При еднонасочен напон, короната има стационарен карактер. Ако проводникот е на позитивен поларитет (значи, тој претставува анода), слободните електрони кои се создаваат во областа на јонизацијата се впиваат во него, а позитивните јони кои обрзуваат позитивен просторен товар, постепено се преместуваат кон катодата. Ако проводникот е на негативен поларитет, (значи, тој претставува катода), електроните кои одлетуваат вон од областа на јонизацијата и обрзуваат негативни јони, полека се движат кон анодата, а позитивните јони се неутрализираат на проводникот. Во обата случаја меѓу електродите настанува стационарна струја на јони, кои ја градат еднонасочната коронска струја I k, а волуменскиот просторен товар кој се наоѓа околу проводникот и е со истополен знак како и проводникот, ја смалува јачината на ел. поле и со самото тоа за извесен степен го зголемува напонот на почеток на короната. На сликата 2а претставени се два проводници, разделени со заземјена проводлива рамнина. Во ваков случај, во двете половини на полето коронското празнење се развива самостојно и во секој систем ќе постои само просторен полнеж од ист знак како и проводникот (монополарен), и затоа овој вид корона се нарекува монополарна. Ако короната се развива во систем од два проводници кои се наоѓаат под напон со спротивен поларитет (сл.2б), тогаш јоните со обата знака може да проникнат во областа со спротивна поларност, каде делимично ќе се рекомбинираат, а дел од нив ќе дојдат до другата електрода. Затоа, околу секоја електрода ќе има јони од обата знака (биполарни јони) и затоа ваква корона се нарекува биполарна. Товарите на јоните со спротивен знак кои се наоѓаат близу проводниците до извесна мерка ја зголемуваат јачината на електричното поле и јонизацијата, заради што коронската струја исто така се зголемува. Истовремено, близу до проводникот настанува непрекината рекомбинација. Значи, при биполарна корона се олеснува процесот на јонизација при ист напон, па следува дека струјата е поголема во споредба со монополарната корона. Очигледно е дека струјата на биполарната корона (кривата 2) при напон 2U ќе биде поголема од сумата на струите (крива 3) на две униполарни корони (крива 1) при напон U (сл.2в). Почетната (критичната) јачина на електричното поле E 0 при која короната добива форма на самостојно празнење, практично не зависи од поларноста на електродите и за два проводника со радијус r, кои се наоѓаат на растојание S >> r еден од друг (или за S проводник кој се наоѓа обесен над рамнина на висина h = ) може да се пресмета според 2 формулата (според Руска литература): 0,65 E 0 = 24,5δ 1 + 0, 38 ( rδ ) kv max /cm (1) а соодветниот напон: S U 0 = E0r ln kv max (1 ) r Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 61

63 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Добри резултати исто така се добиваат и користејќи ја формулата на Peek (Amerikanska literatura), особено ако радијусот на проводникот е мал ( r 1cm ): 0,3 E0 = 30,3δ 1 + kv max /cm (1 ) rδ Струјата која тече меѓу електродите заради короната создава загуби на енергија кои може да попримат доста големи износи, а со тоа се намалува економската исплатливост на преносниот вод. Моќноста на загубите за корона при еднонасочен напон зависи од средната величина на струјата I sr на короната, која приближно може да се пресмета според формулата: I sr ( ) = AU U (2) U 0 каде со A е означен еден коефициент кој зема предвид взаимната положба и димензиите на проводниците (обликот на полето) и коефициентите на подвижност и рекомбинација на јоните (својствата на гасот кој е во прашање). Гледаме дека при U < U 0 нема корона ниту струја. Струјата зависи од квадратот на напонот U (в. сл. 2). Изразот (2) дава резултати кои добро се согласуваат со експериментите ако се работи за случај на т.н. општа корона, кога коронирањето го опфаќа целиот проводник. Тоа се случува при напон U кој е близок до почетниот напон кој се одредува според формулата (1) и (1 ). При помали напони, кога короната се јавува во поедини делови на проводникот на кој се содржани најголеми рапавости (местна корона) експериментите не се согласуваат со равенката (2). Моќност на короната при еднонасочен напон според тоа е: 2 Δ P = I sru = AU ( U U 0 ). Според тоа, загубите од корона многу брзо растат со пораст на напонот (со трети степен). Загубите од корона исто така многу растат ако на површината на проводникот се наоѓаат капки од дожд или кристали од мраз, бидејќи на тие места полето е дополнително зајакнато Корона на проводниците при наизменичен напон При наизменичен напон, волуменските просторни товари од короната првин се одбиваат од силите на полето подалеку од проводникот, а потоа, кога поларитетот се промени, се движат кон него и така наизменично остваруваат едно движење напред - назад. Најголемото растојание x на кое се оддалечува волуменскиот товар од проводникот, зависи од јачината на полето E и периодот T на наизменичниот напон и може да се пресмета со формулата: x bi EmaxrT каде b i е подвижноста на јоните во cm 2 /(Vs); E max е јачината на полето на површината на проводникот, V/cm. Ако радијусот на проводникот е r =1,25 cm (например вод со ном. напон 220 kv), фреквенцијата f =50 Hz, и подвижноста b i =1,8 cm 2 /(Vs), од формулата на Peek се добива (при δ =1): Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 62

64 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања ,3 E max = 30, ,25 1 kv/cm 3 и x = 1, ,25 0, cm, што е битно помалку од растојанието меѓу проводниците на надземниот вод (на пример, за вод од 220 kv е S =6-7 m). Сл. 3. Корона на проводник при наизменичен напон; а- промена на напонот и струјата на короната, б - промена на товарите во коронската обвивка. На таков начин, просторните товари за време од една полупериода не успеваат да се оддалечат од проводникот на големо растојание и во следната полупериода се врќаат кон проводникот, па така короната на проводниците на воздушните преносни водови за висок напон е од типот униполарна, и затоа кај трифазните водови доволно е да се анализираат процесите кои се случуваат само на едната фаза. На сликата 3 прикажани се кривите на напонот и струјата на проводникот кој коронира, а исто така и стадијумите на јонизација, кои одговаараат на одредени моменти на времето (коронските товари се прикажани стилизирано во вид на група јони кои го окружуваат проводникот). При отсуство на корона, тече капацитивната струја i c која предничи пред напонот за 90 о. Струјата на короната i k која се создава со движење на волуменскиот товар, се суперпонира со струјата i c. Да го почнеме посматрањето на процесот во моментот t 1, кога напонот на проводникот е нула. На делот t1 t2 веќе постои просторен негативен полнеж кој е останат од претходната полупериода, и тој ќе се движи под дејство на ел. поле кон проводникот и со тоа ќе создава една позитивна струја i k (за позитивен смер на струјата ја сметаме ако позитивни товари се движат од проводникот подалеку. Движењето на негативни товари кон проводникот, еквивалентно е на движење на позитивни товари од проводникот подалеку). Во моментот t 2 напонот на проводникот ќе ја достигне критичната големина (тоа ќе настане при напон U < U k, бидејќи врз ова има влијание просторниот негативен товар кој се приближува кон проводникот) и ќе настане коронско празнење со позитивен знак. Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 63

65 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Електроните кои се создаваат во процесот на јонизацијата се движат кон проводникот и се впиваат во него, а позитивните јони ги неутрализираат негативните кои останале од претходната полупериода а откако надвладеат, се создава еден облак од позитивен просторен полнеж и тој расти се до моментот t 3 (максимум на напонот). После минувањето на напонот низ максимумот (момент t 3 ), јонизацијата престанува при напон U < U k (одново заради влијанието на просторниот товар) и струјата на короната се одржува заради движењето на преостанатите позитивни јони во смер од проводникот подалеку. Во моментот t 4, кога напонот ќе стане нула струјата на короната престанува, и проводникот се наоѓа опкружен со облак од позитивни товари. При негативен поларитет на напонот процесот настанува на аналоген начин. Во временскиот интервал t4 t5 позитивните товари се движат кон проводникот, а после појавата на негативната корона (тоа се случува во моментот t 5 при напон U < U k, (а зради влијанието на позитивните јони околу проводникот), како што тоа се случи во моментот t 2 ) и на временскиот отсечок t5 t6 се набљудува еден скок во струјата на короната заради неутрализацијата на остатокот од позитивните јони и образувањето на облак на негативни јони околу проводникот. После моментот t 6 струјата се поддржува заради движењето на позитивните товари кон проводникот и негативните од проводникот. Во моментот t 1 сиот позитивен полнеж се изгубил неутрализирајќи се на проводникот, а проводникот остануува опкружен со негативен просторен полнеж, како што беше во почетокот на анализата во t 1. Од сликата 3 гледаме дека струјата на короната i k е периодична но несинусоидална функција од времето (шрафираната површина на сл. 3 е струјата на короната). Затоа таа може да се разложи на хармоници, така што ќе се одвои активната компонента i a, k која е во фаза со напонот, и компонентата i c, k која е во фаза со капацитивната струја i c, и останатите виши хармоници. Според тоа, ова укажува дека последици на короната се појава на активни загуби, зголемен капацитет на проводникот и појава на виши хармоници во струјата. Кривата на струјата претставена на сликата 3 е глатка, иако во реалноста на таа крива треба да се суперпонираат голем број импулси на струјата, чија фреквенција на повторување лежи во областа од 10 5 до 10 8 Hz (0,1 до 100 MHz) Загуби од корона при наизменичен напон Загубите на енергија заради корона при наизменичен напон се предизвикани од фактот што на изворот му се враќа само дел од енергијата која се троши за создавање на електричното поле, а се губи енергијата која е поврзана со просторните товари Q и која приближно е еднаква на ( U k ) Q / 2 U. Според тоа, загубите на енергија при max pr наизменичен напон се поврзани со непрестаното пресоздавање на облакот јони во коронската обвивка, зголемување на брзината на молекулите со кои се судираат јоните, што преминува во загревање на воздухот, а исто така и при другите процеси кои ја следат појавата корона. Врз основа на експериментални податоци американскиот инженер Peek ја предложил следната емпириска формула за моќноста на загубите на короната: pr Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 64

66 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања r 2 5 P = ( + 25) ( U U 0 ) 10 k f f kw/(km.faza) (3) δ S каде r, S се радијусот на проводникот и средногеометриското растојание меѓу проводниците во cm; U f е ефективната вредност на фазниот напон во kv; U 0 е напонот на појава на загуби од корона: S U 0 = 21,2 δ m1 m2 r ln (kv) (4) r Коефициентите m 1 и m 2 ја карактеризираат состојбата на површината на проводникот ( m 1) и временските атмосферски услови ( m 2 ). За идеално гладок (мазен) проводник е m 1=1, а за реалните проводници на преносните водови кои се составени од одделни потенки жички и затоа имаат брановидна и рапава површина, коефициентот m 1 се намалува и изнесува 0,8 до 0,9, што е резултат на присуството на проводникот на делови каде електричното поле е засилено и загубите се зголемени. Загубите од корона многу зависат од временските атмосферски услови. Тие се зголемуваат во услови на дожд или магла, кога на површината на проводниците се создаваат и остануваат подолго време капки вода, кои всушност претставуваат еден вид издолжувања и нерамнини на проводникот и на кои јачината на полето се зголемува. Затоа, за добри атмосферски услови се усвојува m = 2 1 а за лоши (например при дожд или магла) е m 2 =0,8. Во последно време формулата на Peek како и други кои се предложени во литературата не се користат за пресметување на загубите од практични причини. Тие не можат да ги опфатат сите можни варијации на атмосферските услови кои се променливи и нивната примена дава погрешни резултат споредени со практично измерените, особено за високи напони од 330 kv и повеќе. Но тие формули се добри за дискусија на влијанието на поедини параметри на големината на загубите и барањето решенија тие да се намалат. Според формулите (3) и (4), најголемо влијание врз загубите има радијусот на проводникот r, и со чие зголемување се зголемува и напонот U 0. Влијанието на растојанието S врз U 0 е многу мало, особено кога се знае дека односот S / r кај водовите за пренос од висок напон практично не се менува. Денес при изборот на обликот на проводниците и нивните димензии се тргнува од принципот при добри атмосферски услови ( m 2 =1) загубите од корона да бидат блиски до нула. Тргнувајќи од оваа претпоставка, да ги пресметаме минималните дијаметри на проводниците кај водови за висок напон за различни номинални напони. Усвојувајќи дека кај S водовите е ln 6,5, и усвојувајќи δ = 1 и m 1=0,8, условот за отсуство на загуби се добива r U во видот U f = U 0 или U f = = 21,2 *0,8 *1 *6,5 * r. Напонот на водовите во време на 3 експлоатацијата може да биде поголем од номиналниот за 10% ( U = 1, 1U ), и тогаш за минималниот дијаметар на проводникот l n 2 min 1,15 10 d = min 2r ќе се добие d U n = cm. Ако се замени за преносни водови со номинален напон 110, 220, 500 и 750 kv, минималните дијаметри на проводниците ќе излезат соодветно 1,25; 2,5; 5,8; 8,8 cm. Проводници со вакви дијаметри ќе имаат релативно голем активен пресек и густината на струјата на оптоварувањето ќе биде премногу ниска, односно ќе се покаже дека ова е нерационално од Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 65

67 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања тој аспект. Затоа решението се барало во изработка на специјални проводници со голем дијаметар (до 60 mm) а со мал активен пресек - шупливи или раширени, сл Проводници во сноп Друго алтернативно решение за намалување на загубите од корона кај преносните водови за висок напон, кое всушност и повеќе се користи, е расцепување на провдниците, односно проводници во сноп. Проводникот на една фаза се расцепува на неколку паралени проводници. Наместо еден проводник со голем дијаметар, кој е сложен за конструкција, се користи сноп од 2, 3 или повеќе стандардни проводници (сл. 5) со помал дијаметар, но со сумарен пресек еднаков на пресекот кој е потребен од условот за дозволената густина на струјата (критеријум за димензионирање е загревањето заради Џуловите загуби). Сите проводници во снопот (тие припаѓаат на една фаза) се галвански поврзани со метални држачи поставени на одредени и еднакви растојанија кои истовремено го одржуваат потребното растојание меѓу нив. Сл. 4. Шуплив а) и раширен б) проводник; 1- челични жили; 2- секторски алумински цевки; 3 - алуминиски проводливи жили. Сл. 5. Принцип на проводник во сноп (расцепен проводник) Иако со користење на повеќе проводници по фаза (сноп) јачината на електричното поле се намалува, сепак јачината на полето не е еднаква по целиот обем на било кој од проводниците, и најсилно е на надворешната површина на снопот, а најслабо од внатрешната. Ако бројот на проводници во фазата е поголем од два, тие се поставуваат во темињата на правилни многуаголници. Радијусот на опишан круг околу тие многуаголници r r се вика радијус на снопот. Може да се покаже дека капацитетот на проводници во сноп е: S C 2πεε 0 re а максималната јачина на ел. поле на нивната површина е E sr = ln (5) U = ku (6) S sr r ln rd max Esrku = r каде r е радијусот на проводниците на фазата во сноп; D r е чекорот (растојанието) на снопот; r e = rdr е еквивалентниот радијус на снопот 1 ; S sr е средното геометриско растојание меѓу фазите; U - е фазниот напон; k u е коефициентот на засилување на полето. 1 na primer, za n = 2, spored tabelata 1 Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 66

68 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Еквивалентниот радијус на снопот е еден фиктивен радијус кој е во врска со пресметката на капацитетот. Во општ случај, при произволен број n на проводници во фазата е r k = + u 1 ( n 1), r r = f ( D r ) (7) rr Во табелата 1 дадени се вредностите на основните параметри на проводници во сноп. Табела 1: Основни параметри на некои видови проводници во сноп Број проводници во фазата (снопот) Еквивалентен радијус r e n rd r rd r 1,4rD r 6rD r Радијус на снопот r r D r 2 D r 3 Dr 2 D r k u = E E max sr 1+ 2r D r r D r D r r 1+ 5r D r Изразот (6) за максималната јачина на полето на површината на проводниците во сноп може да се 1 запише во општ вид: ( ) E = = max Esrku f Dr ϕ, и според тоа, при зголемување на D r износот на Dr E max минува низ минимум. Затоа се бара оптималниот чекор D r. На сликата 6 прикажана е промената на E max при зголемување на D r за фаза од вод со номинален напон 500 kv која има проводници во фазата во сноп со 3 проводници од 480 mm 2 секој (радијус на проводникот r =1,51 cm). Средното геометриско растојание е 2 S sr = 1, 26S =1,26*10,5=13,2 m. Од графикот се гледа дека најмала вредност E max се добива 22 kv/cm, а во истото време јачината на површината на единечен проводник со ист пресек 3*480 mm 2 = 1440 mm 2 (радијус на проводникот r 0 =2,7 cm) би била 24,5 kv/cm (исцрткана линија на сл. 6) 2 Za slu~aj na prenosen vod so horizontalen raspored na fazite na rastojanie S edna od druga, imame 3 3 S sr = 3 D1 D2D3 = S 2S S = S 2 = 1, 26S, a D 1, D2, D3 se rastojanijata me u fazite. Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 67

69 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Сл. 6. Зависност на максималната јачина на полето од чекорот (растојанието) на снопот Пресек на преносен вод со хоризонтален распоред на фазите Стремежот за добивање на површината на проводниците во сноп на најмала јачина на полето E max обично се совпаѓа со желбата да се снижи индуктивитетот на водот, што овозможува да се зголеми неговата пропусна моќ. Бидејќи индуктивитетот на водот при зголемување на чекорот на снопот се смалува, затоа во праксата се усвојува чекор кој е нешто поголем одошто одговара на точката на минимумот на јачината на полето, и во случајот е усвоен 40 до 50 cm. Проводници во сноп обично се користат за водовите со номинален напон 220 kv и повеќе (кај 330 kv два, кај 500 kv - три, кај 750 kv 3 - четири проводници во сноп) Кај нас далеководот Битола - Скопје кој работи со номинален напон 400 kv има сноп со 2 проводника по фаза Практична примена на коронското празнење Коронското празнење наоѓа корисна примена во електричните филтери кои се користат во термоелектричните централи, металургиските, цементните, хемиските и други претпријатија каде треба да се пречистуваат отпадните гасови од честички кои се наоѓаат во нив. За таа цел гасовите кои треба да се очистат минуваат низ цилиндрична електрода која е анода - A на слика 7. Во оската на таа електрода се наоѓа тенка жица K - која е катода, и на која настанува корона, бидејќи е приклучена на висок еднонасочен напон. Електроните и негативните јони, кои се образуваат како резултат на коронското празнење, се движат кон анодата и на својот пат се судираат со честичките од примесите и на тој начин електрично ги натоваруваат. И така, на честичките делуваат силите на електричното поле и ги носат на анодата, каде тие се таложат. Анодата се очистува од наталожените честички со повремено механичко затресување, така што честичките паѓаат долу каде се збираат и одвезуваат. Средната јачина на електричното поле во електричните филтри изнесува 2-3 kv/cm, напонот на коронирачката електрода изнесува до 100 kv, а струите обично се движат од 0,05 до 0,5 ma. на метар електрода. Коронското празнење исто така се применува во постројки за боење на метални површини. (т.н. електростатичко боење). Во овој случај лакот (бојата) се распрснува во електрично поле на една коронирачка електрода (игла) со негативен поларитет. Негативно наелектризираните честички на распрснатата боја се движат кон анодата (предметите кои се бојат) и таму се таложат. Предноста на овој начин на боење е што се добива цврст и едноличен слој боја, особено на тешко достапните места и што се штеди на материјалот -- бојата. Прашања 1. [to e toa monopolarna, a {to bipolarna korona i pri koi uslovi se javuva? Pri koja od ovie strujata na koronata ima pogolem iznos? 3 Nominalnite naponi 330, 500 i 750 kv se upotrebuvaa vo Rusija, dodeka kaj nas imame 110, 220 i 400 kv. Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 68

70 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања Сл. 7. Принцип на работа на електрофилтерот: 1, 2, 3 - честички од примесите кои се пртставени пред електричното оптоварување, после оптоварувањето и наталожени на анодата. Сл. 8. Преносен надземен воздушен вод за напон 400 kv со 2 проводници по фаза во сноп 2. Kako izgleda vremenskata zavisnost na strujata na {ilecot ako toj e : negativen; pozitiven. 3. Se posmatra ednonaso~en napon. Kako glasi empiriskata formula za po~etnata ja~ina na elektri~noto pole pri koja se javuva praznewe vo silno nehomogeno pole vo me urastojanieto cilindri~en provodnik - ramnina? 4. Kako glasi ravenkata za srednata struja na koronskoto praznewe i za mo}nosta na zagubite od korona? 5. Objasni ja formulatana Peek za mo}nosta na zagubite od korona kaj nadzemni vozdu{ni vodovi za prenos na el. energija. 6. Eden vozdu{en vod ima provodnici so radijus r =0,5 cm i se nao a nad nivoto na zemjata h =6m. Koristej}i gi formulite (1) i (1 ) presmetaj go poleto pri koe zapo~nuva koronata. Kolku e vo tie uslovi naponot na provodnikot? 7. Користејќи ја равенката (4) за воздушен вод со радијус r и средно геометриско растојание на фазите S и коефициенти m 1 = 1, m2 = 1 и релативна густина на воздухот δ = 1, пресметај го минималниот дијаметар на проводниците при кои сеуште не би се јавила корона, ако се работи за водови со номинален напон U = 110, 220 и 400 kv. n 8. Kaj provodnici vo snop se sre}avaat slednite poimi: radijus na snopot r r ; Ekvivalenten radijus r e ; Kapacitet na provodnicite vo snop C ; Sredna i maksimalna ja~ina na poleto kaj provodnicite vo snop, E sr, Emax ; Koeficient na zasiluvaweto na poleto r u. Ilustriraj go odgovorot za broj na provodnici vo snopot n = Kakvi negativni posledici ima koronata kaj prenosnite vodovi za visok napon? Opi{i go so zborovi procesot (mehanizmot) na koronirawe kaj vodovite za visok napon. 10. Vo {to se sostoi re{enieto provodnici vo snop kaj vodovi za prenos na elektri~na energija so visok napon. Kako toa se izveduva i koja e korista od ovaa merka? 11. Navedi eden primer od praksata kade koronskoto preaznewe ima korisna primena vo industrijata i opi{i go. Љубомир Николоски, ТВН-1 предавање бр.5 69

71 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г Електричен лак После пробивот на едно меѓуелектродно растојание во гас, можно е да се појави електричен лак, ако струјата е доволно голема и вкупниот отпор во колото е мал. Еелктричен лак претставува самостојно празнење во гас кое се карактеризира со голема густина на струјата и многу висока температура на каналот на празнењето. Во електроенергетскиот систем електричниот лак се јавува на пример меѓу контактите на прекинувачите за висок напон, одводниците на пренапони и други апарати кога се исклучува некое електрично коло. Ова е т.н. затворен лак. Исто така, тој се среќава и при повредите на надворешната изолација, на пример кај надземните водови за пренос на ел. енергија кога изолацијата (фазна или меѓуфазна) се пробие или прескокне. Ова е т.н. отворен лак. Опис и својства на лакот. Каналот на лакот можеме да го разделиме на три делови, сл. 1 Катодната зона 1, која во воздух при нормални услови не надминува 10-4 cm (1 μ m). Катодниот пад на напон U k се движи во границите од 10 до 20 V (зависно од материјалот на електродите, видот и состојбата на гасот). Јачината на ел. поле во катодната зона при тоа изнесува од 10 2 до 10 3 kv/cm. Температурата на катодата достигнува од 2500 до 2800 о C заради интензивното бомбардирање на истата со позитивните јони. Овие услови овозможуваат постоење на услови за јонизација на гасот со судири и силна емисија на електрони од површината на катодата (термоемисија). Густината на струјата при катодата достига од 10 3 до 10 4 A/cm 2. Должината на анодното подрачје 3 изнесува нешто повеќе од 10-4 cm, а анодниот пад на напон U a изнесува од 2 до 6 V. Јачината на полето исто така е доволна за постоење на ударна јонизација и загревање на анодата до високи температури преку бомбардирање со електрони. Густината на струјата кај анодата е помала и изнесува околу 500 A/cm 2. Сл. 1. Зоните на лачното празнење и распределбата на напонот во каналот на лакот. Падот на напонот во столбот на лакот 2 е рамномерен и јачината на ел. поле E s таму се движи од 15 до 30 V/cm. Таквата јачина на полето во ова подрачје е доволна за постоење на големи брзини и енергии на електроните, и затоа во каналот на столбот на лакот температурата достига 6000 до К како резултат на што во тоа подрачје настанува интезивна термича јонизација. Густината на оптоварените честки во столбот на лакот изнесува и до јони/cm 3. Затоа, тој претставуа плазма со висока проводливост. Колку е долг столбот на лакот зависи од приложениот напон на лакот, од јачината на струјата и од условите на горењето. На пример, кај отворен лак во постројките за висок напон таа може да изнесува и десетици метри. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 70

72 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 71 На таков начин, напонот кој е приложен на лакот U + l = U k + Esls U a каде sls U s E = е падот на напонот во столбот. U l има три компоненти: Во случаи кога U s >> U k + U a, лакот го нарекуваме долг. Кај долгиот лак процесите и напоните за одржување на празнењето зависат главно од процесите во столбот (термичка јонизација, услови за загревање и ладење на столбот, својствата и природата на гасот и сл.). Процесите во кусиот лак, кој се јавува на пример кај искриштата на класичните вентилни одводници, кога U s << U k + U a, се зависни од процесите кај катодата и анодата и зависат од природата и својствата на материјалите за електродите. U nap = IR + U Сл. 2. Волт - амперна карактеристика на електричниот лак при еднонасочна струја Сл. 3 Временска зависност на струјата и напонот на лакот при наизменична променлива струја Волт - амперната карактеристика на лакот. Волт - амперната карактеристика на лачното празнење има нелинеарен и опаѓачки карактер. Ова се објаснува со фактот што при посилна струја се зголемува степенот на јонизација и проводливоста на каналот на лакот и тоа побрзо одошто расте струјата. Статичката волт-амперна карактеристика на лакот (т.е. карактеристика која важи за еднонасочен напон на напојување U nap ) дадена е на сликата 2. Правата AB на сликата го претставува падот на напонот IR. При зголемување на должината на лакот, напонот на лакот исто така расте, па според тоа целата карактеристика се поместува нагоре. Точките 1 и 3 го претставуваат стабилното горење на лакот, а точките 2 и 4 - нестабилното, а точката 5 е гранична точка, кога престанува стабилното горење. Во индустриските примени, како што е заварување, светење, загревање и топење метали, се стремиме да добиеме стабилен лак, т.е. тој да се одржува и да не гасне. Затоа, при даден отпор R на колото, се регулира соодветно должината, или при дадена должина отпорот R. Или на друг начин кажано, стабилен лак ќе постои ако постои рамнотежа меѓу јонизационите и дејонизационите процеси во лакот. Јонизационите процеси се засилуваат ако струјата се зголеми, ако температурата се одржува висока, ако се применат соодветни електроди (например јагленородни, помагаат лакот да се одржи). Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 71

73 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 72 Ако лакот гори при наизменичен напон, заради нелинеарната V-A карактеристика кај ел. лак напонот и струјата мерени на самиот лак имаат специфичен облик, како е претставено на сликата 3, при која е претставен синусоидален напон на изворот. Горењето на лакот предизвикува несинусоидална струја, и со тоа во електричното коло се внесуваат нелинеарности. Гаснење на лакот. Гаснењето на лакот е од интерес во енергетскиот систем електростопанството, каде неговата појава најчесто е штетна. На гаснењето поволно делуваат процесите на дејонизација, засилена дифузија, ладење на лакот, негово издолжување, издувување. Како што се гледа од сликата 3, во кривата на промена на струјата на лакот i кај променлива наизменична струја се јавува една кратка безструјна пауза околу нулата. Овој момент е добра прилика лакот да се изгасне, па од интерес е да се знае при кои услови тоа може да се случи. Дали ќе настане повторно палење на лакот откако неговата струја се сведе на нула, зависи од односот на напонот кој се воспоставува U v после безструјната пауза и од електричната цврстина на каналот каде претходно горел лакот, односно од пробивниот напон на каналот U, pr. Тој напон во секој момент треба да биде помал од напонот кој се воспоставува U v. Ако е обратно, имено ако U v > U, pr, e nastane povtorno palewe na lakot. Пробивниот напон на лакот е составен од пробивните напони на катодната зона U k, pr и од пробивниот напон на столбот U s, pr. Од истражувањата на празнења во гасови се утврдило дека при многу мали струи на празнење (10-6 до 10-8 А) катодниот пад на напон кој е неопходен за да продолжи празнењето изнесува 250 до 300 V (Како беше пред малку речено, за големи струи тој пад на напон беше 5-20 V). Затоа, после минувањето на струјата на лакот низ нулата, за да не настане повторно појавување на самостојно празнење во зоната на катодата, напонот на таа зона во првиот момент не треба да надмине 250 до 300 V. Заради големата јачина на електричното поле, во овој момент електричните полнежи брзо се оддалечуваат од зоната на катодата, и електричната цврстина се повраќа за време од 10-6 до 10-7 s. (под услов термоелектричната емисија на електрони на катодата да не постои). Затоа ладењето на катодата погодува на гаснење на лакот. Процесот на воспоставување на електричната цврстина на столбот на лакот зависи од процесите на рекомбинација (дејонизација) и дифузија на товарите од плазмата, а исто така од процесот на слабеење на термичка јонизација заради опаѓањето на температурата на столбот на лакот, и тој настанува битно поспоро и могу зависи од јачината на струјата која течела претходно во лакот. На пример, електричната цврстина на столбот на лакот изнесува 0,5 kv/cm при I =100 A после 0,05 s, а при I =5000 A после 0,35 s. За да се обезбеди голема брзина на воспоставување на U, pr во праксата се користат различни начини. На пример, кај класичните вентилни одводници со искришта, гасното меѓуелектродно растојание се разбива на голем број (n ) кратки растојанија, и со тоа столбот во каналот на лакот практично го снемува и U, pr во првиот момент практично се состои само од сума на падови на напон на катодната зона, т.е. U, pr = n( ) ) V. Времето на воспоставување на U, pr изнесува околу 10-6 s. Во низа случаи, за да се забрза процесот на дејонизација во столбот на лакот, ( и со тоа олесни гаснењето на лакот), се применува зголемен притисок, оддалечување на јонизираните честички по пат на издувување и слично (како на пример случајот кај високонапонските прекинувачи). Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 72

74 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 73 Сл. 4. Процес на повторно палење на лакот. а- при осцилаторен, б-при апериодичен режим на напонот кој се воспоставува. Во исто време со порастот на електричната цврстина на меѓурастојанието, на истото се воспоставува напонот U v кој има тенденција да го запали лакот. Брзината на воспоставување на тој напон зависи од повеќе фактори, пред се од карактерот на електричното коло кое го напојува лакот (капацитетот, индуктивитетот и активниот отпор на колото). На сликата 4 прикажани се можните случаи на промена на напонот U v. Ако тој напон има осцилаторна форма (сл.4 а), брзината на воспоставување на напонот е пропорционална на tg α и притоа може да се добијат доста големи амплитуди на напонот U v. Ако при ова брзината на воспоставување на електричната цврстина на лачниот канал излезе недоволно висока ( U l, pr ) во точката 1, каде тие криви ќе се пресечат, ќе настане повторно палење на лакот. Ако процесот на воспоставување на напонот е апериодичен (сл. 4б), брзината на воспоставување на напонот U v и неговата големина обично е многу помала, и дури и при мали брзини на пораст U l, pr нема да настани повторно палење на лакот. Затоа, во праксата често пати контактите на прекинувачот се шантираат со отпорници, како резултат на што вкупната отпорност на каналот на лакот се смалува, процесот на воспоставување на напонот U v станува апериодичен, и на тој начин се постигаат поповолни услови за гаснење на лакот. Кога на надземните преносни водови за висок напон настане прескок на изолацијата, лакот кој настанува се истегнува и искривува заради топлинското движење на воздухот и заради електродинамичките сили. Ако проводниците на водот се распоредени во хоризонтална рамнина, должината на лакот може да го надмине растојанието меѓу проводниците за 20 пати, а при вертикален распоред - за 5 пати. Ако должината на издолжениот лак ја надмине критичната должина, тогаш приложениот напон ќе се покаже како недоволен за да го подржува горењето на лакот и лакот ќе угасне. Велиме дека настанува самогаснење или спонтано гаснење на лакот. Лакот исто така може да угасне ако струјата се намали до некоја критична големина I kr, бидејќи во тој случај се намалува топлината која се осоздава во лакот, ослабува термичката јонизација и напонот на столбот на каналот на лакот се зголемува. Критичната должина и критичната струја може да се одредат приближно со емпириски формули. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 73

75 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 74 0,25 За чисто активно коло важи = 0 kr,082 UI m и I I kr = 0, 2. 0,25 За чисто реактивно коло важи: kr = 0,113UI m и I kr = 0, 45I. Овде со U е означена ефективната вредност на напонот на колото, kv; со I означена е ефективната вредност на струјата на куса врска во дадената точка од мрежата, во А). Од формулите следува дека за мрежите со номинален напон 35 kv критичната должина на лакот се движи од 7 (при I =10 A) до 20 m (при I =1000 A), а во мрежите со напон 110 kv - од 20 до 60 m соодветно. Може да се очекува да настане спонтано гаснење на лакот само во мрежите со номинален напон 35 kv и помал и тоа при релативно слаби струи (неколку десетини ампери) Од праксата се знае дека на водовите со напон 35 до 110 kv на дрвени столбови, лаковите кои настануваат при меѓуфазни куси врски не се гаснат спонтано, иако се растегнуваат понекогаш и до 40 метри. Многу веројатно е спонтаното гаснење на лакот при доземни врски кај мрежите со номинален напон од 20 до 35 kv кога струите не се поголеми од 10 A, а кај мрежите со номинален напон 6-10 kv, ако не се поголеми од 30 A. (Тие мрежи обично се погонуваат како мрежи со изолирано ѕвезиште, па при доземната врска односно еднополна врска меѓу фазата и земјата, не се предизвикува многу големи струи). Струјата на лакот во еднонасочно коло не минува низ нулата и затоа гаснењето на ваков лак при високи напони е тешка задача. Едно решение е да се направи таква електрична шема, при која на вештачни начин ќе се направи струјата на лакот да мине низ нулата, со пропуштање низ каналот на лакот еден импулс на струја со спротивна насока добиен со празнење на еден оптоварен кондензатор. 1. Празнење (пробив) во воздух вдолж површината на цврста изолација Општо Во високонапонските конструкции неизбежно се среќава истовремено присуство на гасни (или течни) и цврсти диелектрици. На пример, површината на порцеланските (воведни) изолатори кај трансформаторите секогаш се граничи со воздухот или, од внатрешната страна на казанот - со маслото. При одредени услови, долж површината на разделбата на тие диелектрици може да настане празнење кое се вика површинско. Површинското празнење (пробив) 1 во вид на искра може да го прескокне растојанието меѓу електродите поставени на изолаторот и ако моќноста на напојниот извор е доволна, појавата ќе прерасне во лачно празнење. Заради височината на температурата на каналот на лакот и загревањето на диелектрикот, изолаторот може да се уништи - разруши. Затоа, при проектирањето на една изолациона конструкција се настојува случајот на површинско празнење (пробив по површината) да се избегне. Пробивните напони по површината на диелектрикот зависат од видот на цврстиот диелектрик, видот на приложениот напон и формата на електричното поле. 1 Poimot praznewe i probiv se razli~ni, bidej}i poimot praznewe e po{irok i go opfa}a i probivot, no vo ovoj tekst se upotreebuvaat kako sinonimi, dokolku ne se naglasi sprotivnoto. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 74

76 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 75 На сликата 1 прикажани се три карактеристични случаи на поставеност на цврстиот диелектрик во електрично поле. сл. 1. Три најкарактеристични случаи на поставеност на цврст диелектрик во електрично поле 1. Диелектрикот се наоѓа во хомогено поле, силовите линии се паралелни на површината на диелектрикот (сл.1а). Во изолационите конструкции овој случај ретко се среќава, но често се разгледува со цел да се истражат основните својства на површинското празнење. 2. Цврстиот диелектрик се наоѓа во силно (јако) нехомогено поле чии силови линии се така поставени, што компонентата на јачината на електричното поле долж површината на цврстиот диелектрик (тангенцијалната компонента) е поголема одошто нормалната (сл. 1б). Оваа состојба е карактеристична за реалните потпорни изолатори. 3. Цврстиот диелектрик се наоѓа во јако нехомогено поле, при што нормалната компонента на јачината на полето е поголема одошто тангенцијалната (сл.1в). Оваа состојба е карактерична за проведните изолатори. Површински пробив 2 во хомогено поле Иако карактерот (изгледот) на електричното поле (кое е хомогено) при внесувањето во него на цврст диелектрик онака како е прикажано на сликата 1а (со разделната површина паралелна со силовите линии на полето) не се менува, сепак пробивниот напон долж површината на цврстиот сдиелектрик е помал за 1,5 до 2 пати во споредба со пробивниот напон во чисто воздушно меѓурастојание. Пробивните напони долж површината на цврстиот диелектрик во голема мерка зависат од присуството на воздушни зјаеви меѓу електродите и цврстиот диелектрик (неидеално налегање на цврстиот диелектрик врз површината на електродите). Бидејќи релативната диелектрична пропусливост на цврстиот диелектрик ( ε rd =(4-6)) е поголема од онаа на воздухот ( ε rv =1), затоа и јачината на електричното поле во воздуните зјаеви е 4-6 пати поголема одошто средната јачина на полето во диелектрикот, и јонизацијата на воздухот во воздушните зјаеви ќе се појави многу порано (при понизок напон) одошто во останатиот дел на меѓурастојанието. Продуктите на јонизацијата (јони, електрони) ќе излезат во околниот простор и ќе ја олеснат појавата на површински пробив. Во практичните конструкции, прилепувањето на електродите со цврстиот диелектрик (порцелан, стакло или некој друг) се врши со полупроводливи цементи кои обезбедуваат висока механичка цврстина и отсуство на воздушни зјаеви. Сепак, пробивните напони по површината се помали дури и ако нема воздушни зјаеви(тие се пополнети со цемент) при електродите. Најголемо намалување има при долготрајни типови на напони, а најмало - при импулсни. 2 Povr{inskiot probiv vo literatura se sre}ava i pod poimot preskok Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 75

77 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 76 Сл. 2. Површински пробив во хомогено поле: а)-зависност на напоните на пробив од влажноста на воздухот; б)- распределба на јоните по површината на цврстиот диелектрик; в)-распределба на напонот: 1-распределба во чисто воздушно меѓурастојание; 2-распределба во присуство на цврст диелектрик. Особено силно влијание врз пробивните напони покажува влажноста на воздухот и материјалот на цврстиот диелектрик. При влажност на воздухот кој одговара на кондензација на влага на поврината на диелектрикот (60-70%, сл. 2а), пробивните напони нагло се намалуваат, при што се набљудува значително растурање на вредностите (шрафирана област). Влијанието дури и на најмали траги на вода на површината на цврстиот диелектрик врз пробивните напони се објаснува на тој начин, што водата поседува јонска проводливост и движењето на јоните во тенките слоеви вода се врши со мала брзина и во прво време кон електродите се прибираат јоните од непосредната нивна блиска површина. Затоа, кај секоја електрода се создава вишок на јони со ист знак како и товарот на електродата (сл. 2б) Тој вишок на ел. товар од јони го ослабува електричното поле во близината на електродите, а го засилува во останатиот дел на меѓурастојанието, и како резулатат на се, распределбата на напонот долж површината на диелектрикот се деформира (сл. 2в), полето станува нехомогено и пробивниот напон се намалува. Површинската влага силно влијае врз лесно натопивите (хидрофилни) диелектрици, какви што се стаклото и порцеланот. Кај диелектрици кои се тешко натопливи (хидрофобни) како што е парафинот, флуоропластите (тефлонот), влагата се собира на површината во вид на една од друга изолирани капки и нејзиното влијание е незначително. Притисокот на гасот при површинскиот пробив влијае во помала степен одошто тоа беше при пробиви во гас. Пробивните напони по површината во хомогено поле може битно да се зголемат, ако површината на цврстиот диелектрик се изведе со ребра, и на тој начин се зголеми должината на патот на површинскиот пробив Површинско празнење (пробив) во силно нехомогено поле Кај силнонехомогено поле со предимно тангенцијална компонента на јачината на полето (сл.1б) владеат истите фактори врз пробивниот напон во смисла на снижување, но апсолутните износи на тоа снижување се помали одошто во случајот со хомогено поле. Тоа се објаснива со фактот што површинските електрични товари само малку придонесуваат за нерамномерност на полето, кое и така е доста нехомогено. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 76

78 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 77 Сл. 3. Еквивалентна шема (а) и распределба на напонот по површината на проведен изолатор (б). Сл. 4. Површинско празнење во силно нехомогено поле Во мнозинството изолациони конструкции (проведни изолатори, изолација на намотките на електрични машини за висок напон при излезот на намотката од каналот на статорското железо) површинското празнење се обавува во услови на силно нехомогено поле со преовладувачка нормална компонента (сл. 1в). Да ја посматраме распределбата на ел. поле по површината на проведниот изолатор (сл.3) Во еквивалентната шема капацитетот C o претставува капацитет по единица површина на изолаторот во однос на електродата 2, и се нарекува единичен површински капацитет, а ρ 0 е единичен површински отпор на изолаторот. Од еквивалентната шема е очигледно дека струите i c који течат низ отпорите ρ o и се затвораат низ капацитетите C o не се еднакви: - низ поблиските отпори ρ o до електродата 1, течат струите низ сите следни капацитети C o. Како резултат на тоа, напонот по површината на изолаторот се распределува нерамномерно, и на крајот на електродата 1 ќе биде толку поголем, X co 1 колку е поголем односот = (сл. 3б). ρ ωc ρ o o o Бидејќи отпорот ρ o при суви и чисти површини на изолаторите е постојан и доста висок ( ρ o = Ωm ), а Co зависи од ε r на диелектрикот 3 на изолаторот и неговата дебелина, тоа и распределбата на напонот по површината на изолаторот ќе биде толку понерамномерна, колку е поголем ε r на диелектрикот и колку е помала дебелината на неговите ѕидови. Површинскиот пробив во дадениот случај се развива на следниот начин, сл. 4: При некој почетен напон на крајот од електродата 1 се јавува светкање 2 (корона) во форма на прави паралелни и густо расположени нишки - при позитивната полупериода и во вид на тенки светливи ленти - при негативната полупериода на напонот (сл. 4а). Должината на лентите на овој коронски стадијум е приближно пропорционална на приложениот напон. При понатамошно зголемување на напонот, од коронирачкиот слој 2 се развиваат стримери во вид на нестабилни, лизгачки по површината на диелектрикот искри 3 - тоа е стадијум на ползечко празнење. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 77

79 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 78 напонот, и кога една од нив ќе достигне до втората електрода 4, ќе настане прескок (пробив по површината) на изолаторот. Заради значително ослободување на топлина во каналот на искрата на лизгачкото празнење ( а исто така и долготрајното постоењето на короната) може да се оштети површината на изолаторот, особено ако тој е направен од органски диелектрик, кој во ваков случај многу брзо се јагленисува и на неговата површина се развиваат проводливи канали ( треки од зборот tracking ). Напонот на настанувањето на лизгачкото празнење зависи од величината на површинскиот капацитет C o преку кој се затвора струјата на стримерот (сл. 4б) и може да се одреди со емпириската формула на Теплер: 1, ,44 Co U = kv eff (1) p каде C o е единичниот површински капацитет, [F/cm 2 ]. Должината на искрата на лизгачкото празнење p зависи од површинскиот капацитет и од брзината на промената на напонот (бидејќи од овие величини зависи и струјата на стримерот кој се развива по површината на диелектрикот) и може да се одреди со емпириската 3 формула: du p = kc o U dt каде k е коефициентот, кој зависи од видот на напонот (2) Ако во (2) заменинме p = iz, каде iz е должината на изолаторот од електродата 1 до електродата 4 долж површината на цврстиот диелектрик, ќе се добие израз за напонот за прескок на изолаторот: 1 iz 1 du 1 U presk = 5 и бидејќи е 20 iz 1 U 2 k C du presk = 5 (3) 2 o dt k Co 20 dt Изразот (3) покажува дека за да се повиши напонот на прескок, неопходно е да се зголеми должината на изолатоорт и да се намали површинскиот капацитет, при што влијанието на промената на површинскиот капацитет има посилно влијание, бидејќи тој во формулата влегува со квадрат. Во праксата, за зголемување на U presk при конструкцијата на уводните изолатори, се применуваат материјали со помала диелектрична пропусливост ε r, и на нивната површина се изведуваат ребра (сл. 4в), со што се зголемува патот по површината iz (величина уште позната ' ' како должина на патот на одведување ) како и со намалување на C o до износот C o ( C o < Co ). При тоа, на делот со ребра струите на стримерите 3 се намалуваат, т.е. се отежнуваат условите за нивниот развиток и во согласност со тоа и напонот на прескок по површината се зголемува. Развитокот на површинскиот пробив е олеснет при повишени фреквенции и при инмпулсни du напони, бидејќи тогаш е голем, и струјата на површинските стримери расте. dt 3 empiriska zna~i bazirana na eksperimentalni podatoci Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 78

80 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 79 При еднонасочен напон, површинскиот капацитет не влијае на развитокот на површинското празнење, и бидејќи волуменскиот и површинскиот специфичен отпор на диелектрикот обично се големи, не постои стадијум на развиток на лизгачко празнење, и после појавата на почеток на короната при некој напон, одма настанува прескок. Искуството покажува дека прескочниот напон во посматраните случаи се блиски до пробивните напони на воздушно меѓурастојание во силно нехомогено поле, за кое како растојание меѓу електродите се зема најкусото растојание меѓу електродите на проведниот изолатор. Сл. 5. Пробив (прескок) долж навлажнета и загадена површина на изолацијата на диелектрикот Пробив (прескок) долж навлажнета и загадена површина на изолацијата Било која изолација која е поставена на отворено, подложена е на делување на атмосферските талози и нејзината површина се препокрива со разни талози. Загадена но сува изолација не ја намалува битно својата електрична цврстина. Тоа е затоа што загаден но сув слој обично има висока специфична електрична отпорност. Но со првото навлажнување (макар и мало), настануваа проблеми со диелектртичната цврстина. Таа се намалува и настанува прескок (површински пробив) при многу ниски напони. Да го посматраме развитокот на празнењето долж навлажнета површина на изолаторот. Навлажнувањето на површината на изолаторот настанува како резултат на дожд, роса или делување на магла. При тоа настанува надворешен влажен проводлив слој 2 (види слика 5а) меѓу електродите 1 и 3. по кој тече струјата на одведување R U R I od =, каде od od od L od ρd = Δ πd () 0 R е вкупниот отпор на одведувањето по површината на изолаторот: каде ρ е специфичниот волуменски отпор на проводливиот слој (за дождовна вода е ρ =10 3 Ω m); Δ е дебелината на проводливиот слој, L od е целосната должина на патот на одведување по површината на изолаторот; D ( ) е дијаметарот на изолаторот, кој во општ случај зависи од растојанието. Сметајќи заради едноставност, дека проводливиот слој е хомоген, т.е. дека Δ и ρ не зависат од, се добива: (4) Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 79

81 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 80 R od ρl ΔπD od = (5) ek каде D ek = L od d D () 0 Како резултат на течењето на струјата на одведување, настанува загревање на проводливиот слој. Во реалните услови, кога дебелината на тој слој не е секаде иста, во некои места испарувањето на водата може да ја надмине брзината на нејзиниот дотур од надворешната средина. Затоа, дел од површината на изолаторот ќе се исуши, и на тој дел ќе порасне падот на напонот и ќе настане прескок на него, т.е. ќе настане парцијален лак 4, сл. 5б. Потоа сушењето продолжува, и граничната точка a каде завршува парцијалниот лак, се движи надесно. Ако отпорот на одведувањето R od е доволно голем, а струјата на лакот соодветно мала, парцијалниот лак ќе угасне, и исушениот дел од површината пак ќе се навлажни, па потоа пак ќе се исуши, со образување на парцијален лак и т.н. Така, на површината на изолаторот ќе се посматраат парцијални лакови кои се преместуваат (може да се јават ту овде, ту онде и да се јавуваат истовремено на повеќе места), пропратени со светкање и карактеристичен звук како праскање, шиштење и сл. При даден напон и даден интензитет на дождот, појавата може стабилно да егзистира и подолго време. 4 Образувањето на променливи - подвижни лакови сеуште не значи дека целото меѓурастојание е прескокнато (пробиено), но оваа појава, исто како и појавата на лизгачкото празнење може површински да ја оштети цврстата изолација и да образува треки. Затоа, за изработка на изолатори за надворешна монтажа, треба да се користатат диелектрици со голема отпорност на подвижен лак (отпорни на треки). При некој износ на приложениот напон (зголемен) и струјата ќе биде поголема, а парцијалните лакови нема да гаснат, туку брзо се растегнуваат и евентуално надоврзуваат - спојуваат и настанува целосно прескокнување на изолаторот. Прескокот на изолаторот се олеснува во оние случауи, кога струјата на одведување е доволно голема за да настане сушење на останатите делови на површината на изолаторот и подржување на стабилни парцијални лакови. Со други зборови, прескочниот напон во посматраните услови ќе се намали, ако се намали отпорот на одведувањето (според рав. (5)). Може да се покаже дека 0,4 ρ 1 U pr = k Lod (6) ΔDe каде k 1 е коефициент кој се одредува експериментално и зависи од конструкцијата на изолаторот. 4 Ovde vo igra se dve sprotivni tendencii: So pojavata na prviot parcijalen lak, strujata se zgolemuva, bidej}i lakot e provodliv del od koloto. Su{eweto se zasiluva i lakot mora da se izdol`uva, {to vodi do negov pogolem otpor i namaluvawe na strujata. Strujata po~nuva da opa a, izolatorot pak se navla`nuva, a lakot se skusuva i t.n. Zna~i, za sekoja visina na naponot }e postoi nekoja ramnote`no prisustvo na parcijlani lakovi. Sostojbata sekoga{ zavisi od visinata na prilo`eniot napon na izolatorot, provodlivosta na slojot, stapkata na novoto nakvasuvawe (od do`d ili ne{to drugo). Praksata i teorijata poka`uvaat deka preskokot pri mokar izolator, a osobeno pri mokar i zagaden, nastanuvaat pri mnogu pomali naponi i zatoa ovoj fenomen posebno se izu~uva. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 80

82 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 81 Механизмот на прескокот при влажна површина на изолацијата има топлотен карактер и тој се одвива релативно бавно и се манифестира само при долготрајно делување на напонот. Затоа, при импулсни напони прескочниот напон на мокро е практично еднаков на прескочниот напон во сува состојба. Прашината која се таложи на површината на изолаторите и другите загадувања ако се суви, обично имаат висок отпор и не влијаат на прескочните напони. При навлажнувањето на загадената површина (например преку магла или роса) струјата на одведување нагло пораснува и се јавуваат истите појави опишани во врска со намокрен изолатор, но сега заради многу поголемата проводливост на слојот, и заради посилната одводна струја, тие се јавуваат почесто, нагло, и при помали напони. Прескочните напони при ова се снижуваат во толку поголема мерка, колку е посилно загадувањето. Најопасни загадувања на изолацијата се оние од котелските постројки (саѓи), од хемиски, металургиски комбинати и цементни фабрики, термоцентрали, а исто така и заради капки морска (солена!) вода, и прашина од почва која ја носат ветровите, особено ако почвите се солени. Градскиот смог исто така е многу опасно загадување. Парадоксално е што за загадените изолатори попасно е слабото навлажнување од магла, роса или росечки слаб дожд. Силниот дожд обично е поволен (настанува донекаде измивање на загадениот слој). Проблемот понекогаш е толку голем, што не е возможен погон на енергетскиот систем и при работен напон. На пример, во градска мрежа на висок напон, заради смог и магла има многу често испади на водовите и при работен напон. За борба против површинскиот прескок при загадени и навлажнети изолатори се користат повеќе методи, како на пример: - Зголемување на патот на одведување L od на изолаторите, со избор на специфични изолатори со зголемен L od, или поголем број стандардни изолатори (применливо кај изолаторските низи од капасти изолатори); - Периодично површинско миење на изолаторите. Недостаток е што бара прекин на погонот; - Сместување на апаратите и разводните постројки во затворени простории, а наместо надземни водови, користење на кабелски водови; - Користење на специјални масти за нанесување на површината на изолаторите. Ова не е трајно решение. После извесно време, потребно е повторни миење на изолаторите и повторно мачкање со маст. Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 81

83 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1, предавања 2012г. 82 Сл. 6. Парцијални лакови при испитување на еден навлажнет изолатор Прашања 1. Што е тоа електричен лак и при кои услови и ситуации тој се јавува? Какви својства има електричниот лак? Дали електричниот лак е корисна или штетна појава? 2. На какви начини се стимулира гаснење на електричниот лак, а на какви начини се стимулира неговото горење? 3. Во една ел. мрежа за 110 kv струјата на куса врска е I =10кА. Колкава е максималната должина на електричниот лак, ако: Кусата врска настанала меѓу една фаза и земјата; Ако кусата врска настанакла меѓу две фази? Колото има реактивен карактер. 4. Во една среднонапонска мрежа со номинален напон 20 kv со изолирано ѕвездиште струјата на доземен спој е 10 А. Колкава е критичната должина налакот? Ако растојанието по површината на изолаторите е 30 cm, а столбовите се метални, дали лакот сам ќе се угасне? 5. Како влијае присуството на цврст диелектрик меѓу електродите во воздух, ако тие електроди формираат хомогено ел. поле? 6. Нацртај шема на потпорен изолатор. Кој напон е поголем: прескочниот по површината, или пробивниот низ телото на изолаторот? Како изгледа сликата на полето, какви компоненти на полето постојат на површината, кои услови се потребни да се исполнат, за да прескочниот напон биде поголем? 7. Нацртај шема на проведен изолатор. Каква е сликата на полето, какви компоненти на ел. поле има на површината на диелектрикот. Какви процеси настануваа при подигањето на напонот (наизменичен) и зошто има има опасност површината на изолаторот да се нагори? 8. Што е тоа лизгачко празнење, со кои услови се јавува, како зависи прескочниот напон од параметрите на изолаторот? Какви мерки се превземаат за прескочниот напон во овие услови да биде поголем? 9. Кај еден проведен изолатор должината на патот на одведување е iz =250 mm и експериментално U presk одредениот прескочен напон од фланецот до проводникот е =15 kv. Ако должината на патот на одведување се зголеми 100% ( =500 mm), колку ќе изнесува прескочниот напон? iz Љубомир Николоски: ТВН-1 предавање бр.6 82

84 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г НАДВОРЕШНА ИЗОЛАЦИЈА НА ВОЗДУШНИТЕ ВОДОВИ И РАЗВОДНИ ПОСТРОЈКИ 7.1. Изолатори за висок напон Основни електрични и механички карактеристики на изолаторите Проводливите делови на електричните постројкои кои се наоѓаат под разни потенцијали, треба да се зацврстат на сигурен начин и изолирано од заземјените делови и едни од други. Ова се постигнува со различни видови изолатори. Изолаторите според својата намена се делат на три главни групи: Изолатори за водови (уште наречени линиски бидејќи воздушниот вод се нарекува уште и линија ); изолаторите за разводни постројки и изолатори за електрични апарати (апаратни изолатори) Линиските изолатори се применуваат за изолација и прицврстување на проводниците на воздушните водови за пренос на ел. енергија. Изолаторите за разводни постројки се користат за изолација и прицврстување на собирниците и спроводливите делови од разводните постројки во електричните централи и подстаници (трафостаници). Апаратните изолатори се составен дел на конструкцијата на високонапонските апарати (на пример, трансформатори, кондензатори и др.). Материјалот и конструктивната изведба на некој изолатор треба да му обезбеди работа во текот на долго време во услови на делување на механички оптоварувања, вибрации, нагли промени на температурата, загадувања, а кај изолаторите наменери за работа во надворешни услови - во услови на дожд, магла, индустриски загадувања и др. Најчесто искористени материјали за изработка на изолаторите е електротехничкиот порцелан. Тој има висока електрична (20-25 kv/mm) и механичка цврстина (најголема е на притисок σ prit = MPa, а на другите видови напрегања доста помалку). Тој е отпорен на трекинг и агресивни хемиски средства. Производите од порцелан се доста распространети и не се скапи. Од другите видови керамики се користи и стеатит, кој има зголемена механичка цврстина и помал tg δ од порцеланот, потоа малоалкално калено стакло, кое според механичките и електричните својства и цената му конкурира на порцеланот и наоѓа поголема примена за изработка на линиски изолатори. Стаклото е прозрачно и се крши при повреди, што ја олеснува локацијата на дефектните изолатори при нивната изработка и примена. Апаратните изолатори исто така се прават и од епоксидни смоли со леење во калапи. Леењето треба да се изврши во вакуум, заради избегнување на создавање на воздушни меурчиња во готовиот производ (тоа се слаби места каде се јавуваат парцијални празнења). Кај проведните изолатори се користи масло-хартиена изолација и масло-бариерна изолација, при што надворешниот дел од изолаторот кој треба да биде изложен на на атмосферскиот воздух, додатно се покрива со Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 83

85 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 84 порцелански изолатор. Потпорните изолатори (се користат за потпирање - прицврстување и тие имаат најпроста конструкција) и проведните 1 изолатори, ако се за понизок напон (до 35 kv) понекогаш се прават и од бакелитизирана хартија, која после соодветна термичка обработка се лакира и има доволно добри својства да изолира во затворени простории (не изложени на атмосферски талози). Изолатори направени од полимерни материјали, во последно време си го пробија патот како линиски изолатори и за највисоки напони. Срцевината на истите е направена од цилиндрична прачка изработена од стаклени влакна и епоксидни смоли и таа ја поднесува сета механичка сила за крепење на проводниците, а надворешниот слој изведен со ребра е направен од синтетички полимерни материјали помешани со минерален полнител (напр. силиконска гума и кварцно брашно). Ваквите изолатори се помалку трајни од порцеланските во однос на делувањето на сонцето и атмосферските талози и влијанија, како и на делувањето на електричниот лак (создавање на треки) но имаат други ценети својства и тоа: - многу се полесни од порцеланските и стаклените, што овозможува полесна конструкција на столбовите; - отпорни се на вандализам (намерно кршење од ловци или овчари); - поотпорни се на некои видови загадувања на површината (напр. солена магла и капки) Арматурите наменети за прицврстување на изолаторите се направени од меко железо или челик, а при посилни струи, од немагнетно железо или обоени метали. Прицврстувањето на металот со диелектрикот се врши со квалитетни цементни лепила. Уништувањето, односно губењето на изолационите својства на изолаторот може да настане или при пробив на цврстиот изолационен материјал, или при лачен прескок по неговата површина. Ако се случи првиот настан, изолаторот е уништен (пробиен) и не може повеќе да ја обавува својата функција на изолирање, а во вториот случај, неговата диелектрична цврстина обично пак се повраќа после гаснењето на лакот. Затоа, изолаторите се конструираат така, што намалениот прескочен напон (по површината) да биде (30-60)% понизок од пробивниот напон низ телото на изолаторот. Напонот на прескок по површината на изолаторот битно зависи од условите на неговата работа. Кај изолатори наменети за постројки за внатрешна монтажа (во простории) основни електрични карактеристики се прескочниот напон по површината во сува состојба U sp и подносливиот напон во сува состојба U spod при сува и чиста површина на изолаторот. Вредноста на U sp се определува при непрекинато подигање на напонот со индустриска фреквенција се до прескок, а U spod - до напонот пропишан со прописите предвиден да биде издржан (поднесен). Подносивите напони обично се (10-30)% пониски од прескочните. Величината на прескочниот напон на суво скоро наполно е одредена од растојанието на празнењето, а ова е најкусото растојание низ воздухот меѓу c 1 Provednite izolatori slu`at za eden provodnik koj e na visok napon da se sprovede niz zazemjen yid, od edna prostorija vo druga, vo ku}i{teto na aparat, napr. transformator) Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 84

86 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 85 електродите на изолаторот. Како што се гледа од сл. 2.1, зависноста U f ( ) скоро линеарана и може да се запише во видот: U = sp E sp каде c sp = е E sp =3-5 kv/cm е средната јачина на полето при прескок долж c и таа зависи од типот на изолаторот. При c >2 m, за да се запази пропорционалноста меѓу c U sp и c, неопходно е да се применат специјални екрани за изедначување на полето вдолж столбот или низата изолатори (кривата 3 на сл. 2.1). Сл Зависност на прескочниот напон на суво U sp за потпорни и проведни изолатори од нивното растојание на празнењето: 1- долна граница; 2-средна вредност; 3- при отсуство на заштитна арматура. Со цел да се споредат измерените напони (прескочни и подносливи) напоните според каталог, тие треба да се сведат на нормални услови: U o kγ = U i (2.1) k k p t U i и каде U i е измерениот напон, а k p, kt, kγ се поправните коефициенти кои зависат од притисокот, температурата и апсолутната влажност на воздухот γ. Тие се знаат од табели во врска со прописите. Приближно, ако промените на релативната густина на воздухот δ се мали (δ =0,95-1,05), може да се усвои k pk t = δ. Зависноста од влажноста е посложена. Како нормална влажност се смета апсолутната влажност од 11 g/m 3 (при 20 о C) и ова одговара на релативна влажност од 63,5%. Ако апсолутната влажност се зголемува, напонот на прескок на изолаторот во сува состојба расте, но при релативна влажност над (80-85)%, со порастот на влажноста, напонот на прескок почнува да опаѓа. Најважна карактеристика на изолатори кои работат на отворен простор, е напонот на прескок и подносливиот напон при испитување во услови на вештачки дожд. Тие вредности треба да бидат повисоки од пресметковното ниво на комутационите пренапони и се утвруваат земајќи ги предвид и пресметковните коефициенти за кратност за тие пренапони. Ако прескочните напони под дожд се ниски, ова може да доведе до чести прескоци на изолацијата, особено при присуство на загадување кое се наводенува од слаб дожд или магла. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 85

87 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 86 За да се одредат овие напони, се применува стандарден вештачки дожд кој има капковидна структура и паѓа под агол 45 о врз изолаторот кој се наоѓа во работна положба. Интензивноста на дождот е 3± 0,3 mm/min, а специфичниот волуменски отпор на водата е 100 ± 10 Ω m при 20 о C (според прописите). Во праксата се добива дека прескочниот напон под дожд секогаш е (20-30)% понизок одошто при сува состојба, со исклучок на многу долги низи од капасти изолатори (напр. за 500 kv), кога тие величини скоро се совпаѓаат. Снижувањето на прескочните напони под дожд е заради фактот што високата проводливост на намокрените површини создава прераспределба на напонот долж површината на изолаторот, и напонот на сувите делови е значително поголем одошто на мокрите. Тоа доведува до парцијални прескоци на тие делови, а со тоа и до целосен прескок на изолаторот. Износот на прескочните напони под дожд практично не може да се одреди со пресметка, и тој се одредува експериментално. Сепак, постои линеарна зависност меѓу U mp и конструктивната висина H на изолаторот, U mp = Emp H каде E mp =(2-2,6)kV/cm е средната јачина на полето при прескок под дожд. Експериментите покажале дека прескочниот напон U mp може да се повиши со оптимален избор на количеството и бројот на ребрата и наборите, бидејќи на тој начин се зголемува патот на одведување и се создаваат суви делови. Усвоениот интензитет на дождот од 3 mm/min при испитувањата, ретко се среќава во експлоатацијата. Податоците од експлоатацијата на изолаторите монтирани надвор покажуваат дека прескоци почесто настануваат при магла или при дожд со мал интензитет (0,1-0,2) mm/min. Такви прескоци настануваат и при работни напони, т.е. при напони знатно помали од U mp. Ова покажува дсека усвоената методика за одредување на прескочните напони под дожд не е без слабости. Имено, однесувањето на изолаторите во услови на загадување и навлажнување всушност е пресуден фактор при изборот на изолацијата на воздушните водови и разводните постројки. Врз основа на равенката за прескочен напон во услови на загадување и 0,4 ρ навлажнување ( 1 U p = k Lod ), гледаме дека основен параметар за оценка на ΔDe прескочниот напон во услови на загадување и навлажнување е должината на патот на одведувње L od, која секогаш се дава во каталозите за изолаторите за надворешна монтажа. При определувањето на способноста на изолаторот да го издржи долготрајниот работен напон без прескок, се искористува поимот ефективна должина на патот на одведување: Lod Lef = k каде k е поправен коефициент која ја зема предвид ефективноста на искористувањето на геометриската должина L od на патот на одведувањето при развитокот на прескокот и различната склоност кон загадување на изолаторите во експлоатационите услови. Однесувањето на изолаторите при делувањето на атмосферските пренапони се одредува од волт - секундната карактеристика. Исто така, практична оценка на импулсната цврстина на изолаторот се врши според износот на 50% -ен прескочен напон при испитувања со цел и пресечен атмосфераски импулс. Импулсните прескочни напони се повисоки од прескочните со 50 Hz на суво, и тие скоро и не Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 86

88 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 87 зависат од загадувањето и навлажнувањето на површината на изолаторот. Нивната величина зависи од формата и поларноста на импулсот, патот на прескокот и конструкцијата на изолаторот. Коефициентот на импулсот при цел бран лежи во границите од 1,2 до 1,3 и достиога 1,6-2 при пресечен импулс. При негативни импулси, коефициентот на импулсот е поголем одошто при позитивен. При атмосферски импулси, каналот на прескокот не се одвојува од површината на изолаторот, и затоа прескочното растојание при импулси е поголемо одошто c, но зависи од c. Величината на импулсниот прескочен напон U i е поврзана со величината и може да биде оценета според емпириската формула c U i = ( 5 6) c kv (при c >30 cm). Измерените импулсни прескочни напони исто така се сведуваат кон нормални атмосферски услови со равенката (2.1). (Како што се кажа погоре, c е најкусото растојание низ воздухот меѓу електродите на изолаторот.) За надворешната изолација од највисоките напони (400 kv) се нормираат и подносливи напони при делување на комутациони импулси. Пробивните напони на порцеланските изолатори се зголемуваат со порастот на дебелината на порцеланот S, приближно во согласност со равенката: 3 2 U pr = 80 S (kv). Бидејќи електричната и механичката цврстина на порцеланот брзо се намалува со порастот на дебелината, при изработка на изолатори не се применува порцелан подебел од 4-5 cm, со исклучок кај столбестите изолатори, чиј дијаметар може да изнесува и до 12 cm. Механичката цврстина на изолаторите се избира според условите на нивната работа. За линиски обесливи изолатори се нормира цврстината на истегање, за потпорните и проведните - цврстината на свиткувањето. За поголем дел изолатори, основна механичка карактеристика е силата на кршење при бавен пораст на истата, која предизвикува целосно или делумично кршење на изолаторот. Кај обесните линиски изолатори при пораст на механичкото оптоварување, можна е појава на пукнатини. Затоа, таквите изолатори се испитуваат со истовремено делување на напон од kv и бавно растечко механичко оптоварување на истегање. При појава на пукнатини, се нарушува електричната цврстина на изолацијата. Величината на механичкото оптоварување во моментот на нарушувањето на електричната цврстина (пробивот) на изолаторот, се нарекува електромеханичка цврстина на изолаторот и се означува во неговите каталошки податоци (во kn). Механичките и електричните карактеристики на изолаторите се нормирани во прописи (стандарди). Изолаторите исто така треба да ги издржат и на промените на температурата. За определување на термичката издржливост на порцеланските и стаклените изолатори, се спроведуваат специјални испитувања кои се состојат во низа наизменични загревања и нагли ладења, со пад на темпеартурата до 70 0 C. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 87

89 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г Конструктивни примери на изолатори Според својата функција, изолаторите се делат на потпорни, обесителни и проведни. Потпорните изолатори од своја страна можат да бидат столбести, за прицврстување со метална кука или линиски. (наменети за линија, вод за пренос на ел. енергија). Обесните изолатори може да се капести и столбести. Потпорно-столбестите изолатори се применуваат за надворешна и внатрешна монтажа за прицврстување на проводни шини собирници или контактни делови кај апаратите (раставувачи, прекинувачи). Изолаторите претставуваат едно порцеланско (или од друг материјал) тело, на кое се прицврстени метални делови на двата краја долу и горе, наменети за прицврстување. Металните делови (арматурите) можат да имаат и функција на регулирање на ел. поле, т.е. негово намалување на краевите, односно на електродите од метал, каде што полето е обично појако. Ребрата кај изолаторите играат улога на бариери и тие го насочуваат празнењето под агол во однос на силовите линии на полето, т.е. по пат со послабо ел. поле. Внатрешниот екран и ребрата битно го зголемуваат напонот на прескок на изолаторот. Ако изолаторот е наменет за надворешна монтажа, тој има поголем број ребра одошто изолаторот наменет за внатрешна монтажа. Ваквите ребра го зголемуваат патот на одведувањето и според тоа го зголемуваат и прескочниот напон на изолаторот под дожд. Ако изолаторот е направен од порцелан или стакло, горната и долната арматура, обично, се направени од леано железо и со изолаторот се сврзани со цементни лепила. Ако, пак, изолаторот е излеан од органски полимерни изолации (пр. аралдит со полнител), арматурите се прицврстуваат во самиот процес на пресување изработка на изолаторот (или леење), бидејќи обично овие материјали имаат голема атхезија и карактер на лепила. На сликата 4.21 се дадени примери на 2 потпорни изолатора. Во ознаките на потпорните изолатори, обично, стои бројка која го означува номиналниот напон, а битна е и силата на кршење, која се изразува во kn, и се наведува или во типската ознака, или во каталогот на производителот. Потпорните изолатори со метален држач се применуваат за надворешна монтажа, и тоа во оние случаи кога е потребна висока механичка цврстина. Тие се состојат од еден или од повеќе Sl Potporni stolbesti izolatori: levo: za vnatre{na monta`a, desno: za nadvore{na monta`a. залепени изолациони детали и на нив метални арматури - долна и горна, кои служат за прицврстување (сл. 4,22а). Линиските изолатори со метален држач се прават за номинален напон од 6 20 кв и се состојат од едно изолационо тело од порцелан или стакло со отвор оздола за Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 88

90 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 89 прицврстување на метален држач, кој на изолационото тело се прицврстува со залевање со стопено олово или други лепила, а на горната страна имаат жлеб или вдлабнатина за прицврстување на проводникот кој се придржува. Металниот држач се прицврстува на столбот од надземниот вод (сл. 4.22б). a) b) Сл Потпорен (а) и линиски (б) изолатор со метален држач: првиот е за 35 kv, а вториот за 6 kv. Ако е номиналниот напон повисок (на пр. 35 kv), тогаш изолационото тело се прави од два изолациони детаља слепени меѓу себе. Изолатори за обесување од капест тип: Овие изолатори масовно се употребуваат за воздушните водови за пренос на ел. енергија при 35 kv и повисоки напони. Тие се состојат од порцеланско или стаклено тело на кое со помош на цементно лепило се прицврстува метална арматура капа, а одоздола друга метална арматура толчник. Со нижење на повеќе капести изолатори се постига потребниот поднослив напон. Така се формира една низа капести изолатори за даден номинален напон (на пример, за 110 kv се практикува да има 7 вакви изолатори) (сл. 4.23а). За вакво нанижување на капата има ушка во која влегува толчникот од наредниот изолатор. Врската е од типот на синџир па целата низа е еластична и дејствуваат само сили на истегнување. Но изолаторите се така конструирани што надворешната сила на растегнување во изолационото тело предизвикува напрегања на притисок, на кои и стаклото и порцеланот се најотпорни. Горната површина на изолаторот е мазна и навалена во однос на хоризонталата за агол од 5-10 о, што е поволно за истекување на водата при дожд. Долната површина се прави ребреста за да се зголеми патот на одведувањето. Најчеста причина за дефект кај капестиот изолатор е пробивот на изолационото тело меѓу капата и толчникот. Ако ова се случи, механичката цврстина на капата сепак е задржана, па електричниот проводник не паѓа на земјата, а ова е голема предност. Столбести изолатори за обесување. Овие ретставуваат столб од изолациона материја со ребра, армиран на обата краја со метални арматури (капи) кои служат за прицврстување. Порано се граделе исклучително од порцелан, но денес се прават и од полимерни изолации и таквите особено се користат за подрачја со големо аерозагадување (сл. 4.23в). Спроведни изолатори. Овие се користат за изолирање на проводни делови низ ѕидови. Спроведен изолатор за 35 kv се состои од изолационо тело од порцелан или органски полимер низ кој минува проводник шина. На средината се наоѓа фланец (прирабница) за прицврстување на ѕидот низ кој треба да минува проводникот. Спроведните изолатори за надворешна монтажа имаат поразвиена површина (повеќе ребра) на страната која гледа спрема надвор од просторијата. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 89

91 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 90 a) b) Сл Изолатори: а) капест изолатор; б) столбест изолатор за обесување за 110 kv; ц) спроведен изолатор за внатрешна монтажа за 35 kv. c) Во подолната табела дадени се податоци за обесните капести изолатори од руско производство (Според стандардот ГОСТ ) и тоа тип ПФ ако се работи за порцелански и ПС ако се работи за стаклени. Табела. Капести обесни изолатори од руско производство Тип на Димензии, mm Гарани изола-торот Рана ел.- Висина Дијам Должина на мех. H етар патот на оптовару D одведување вање, N, не L od помалку од Напон 50 Hz, во kv (не помалку од) пробивен испитен На суво Под дожд 50% прескочен напон kv (не помалку) + - Маса, kg ПФ6-А ,5 ПФ16-А ,6 ПС6-А ,1 ПС16-А ,0 Сл. 4.23а. Модерни изолатори со силиконски ребра и стакло-пластично јадро. Од лево на десно: затезен, носечки, потпорен и апаратен за лостовниот погон на раставувач. Забележи ги елекгантните и лесни димензии (и мала тежина). (Elbi, Валјево). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 90

92 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 91 Сл. 4.23б. Примена на модерни полимерни органски изолатори од типот како на сл. 4.23а. Од лево на десно: За надземен преносен воздушен вод, како носечки и столбест; ; За среднонапонски воздушен вод, изведен како потпорен; За изолирањење на напојниот вод за напојување на железницата (за 25 kv, 50 Hz) Изолација на воздушните водови Принципи за избор на изолацијата на воздушните водови Изолацијата на проводниците на надземните вовови 2 за пренос на електрична енергија се остварува со изолатори и воздушни растојанија. Изборот на изолацијата се врши според сите видови напони кои делуваат, вклучувајќи ги и атмосферските празнења и потребите за безбедност на луѓето. Прескокот (електричното празнење) на изолацијата на воздушните водови не треба да се смета за недозволена појава. Стремежот да се исклучат сите прескоци, доведува до големи трошоци за засилување на изолацијата и уредите за заштита (ограничување) на пренапоните. Техничко-економските пресметки за минимални трошоци покажуваат, дека има смисла да се дозволи мал број хавариски исклучувања на воздушните водови заради прескок на изолацијата, кој настан се совпаѓа со некои неповолни услови (пренапони, намален воздушен притисок, дожд, 100% влажност, ветер кој ги ниша проводниците и друго). Во таквите пресметки, за да се најдат најповолните варијанти, се земаат предвид статистичките законитости на пробивот на изолацијата, атмосферските услови, пренапоните, влијанието на средствата за заштита од атмосферски празнења, постоењето на АПВ 3, загубите предизвикани од хавариските исклучувања и ред други фактори и ограничувања. Таа задача е сложена и никогаш не е конечно решена. При постоечките начини за избор на изолацијата на воздушните водови, традиционално најчесто се користат низи од капасти изолатори Низи од капасти изолатори За водовите со номинален напон 6-10 kv, доволно е еден изолатор на метална кука или обесен изолатор. За водовите со номинален напон 35 kv и повеќе, 2 za nadzemnite vodovi za prenos na el. energija ke go koristime i izrazot linii za prenos na el. energija, pa izolacijata ponekoga{ }e bide nare~ena liniska izolacija. Poimot liniski da ne se me{a so liniski napon koe zna~i me ufazen napon. 3 APV zna~i Avtomatsko Povtrono Vklu~uvawe. Toa e avtomatika vo ramkite na relejnata za{tita so koja vodot mo`e za se isklu~i za mnogu kuso vreme i pak povtorno da se vklu~i. Celta e izvesen broj na kusi vrski (gre{ki) na vodot koi nemaat traen karakter da se likvidiraat - otstranat (propratniot elektri~en lak da se izgasne). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 91

93 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 92 обесните (капастите) изолатори се поврзуваат во низи. Механичката врска на изолаторите во низата е од типот на шарнир односно синџир и таа обезбедува гипкост на низата, кое нешто е важно при монтажата како и за намалување на механичките напрегања на елементите од низата при силни ветрови и при прекин на проводниците. Низите кои се обесени вертикално на обичните столбови и кои се оптоварени само со тежината на проводниците и евентуално со талозите на нив (напр. снег, мраз), се викаат носечки. На аголните, анкерните и крајните столбови се наоѓаат затезните низи и тие стојат скоро во хоризонтална положба заради големите подолжни сили на затегнатите проводници. Бесењето на проводниците со поголем пресек и/или должина се остварува со двојни или тројни (паралелно поставени) низи. Количеството на изолатори во низата одредено е од типот на изолаторите, номиналниот напон на водот, материјалот на столбовите, местоположбата на низата и степенот на загаденоста на атмосферата во областите каде минува водот. Изолацијата се изведува на таков начин, што бројот на можните прескоци при делувања на пренапоните и работниот напон да биде сведен на минимум. Искуството покажало дека во областите со полско загадување, прескоците најчесто се случуваат при истовремено делување на пренапоните и дождот, а во загадените области изолаторите по правило се прескокнуваат при работни напони во услови на 100% влажност или при слаби дождови. Според тоа, има две различни методи на избор на бројот на изолаторите во низата. Големината на прескочниот напон при дожд (во мокра состојба) U mp пропорционална е на бројот n на изолаторите во низата: U mp = E mp Hn каде H е конструктивната висина на еден изолатор, а E mp е градиентот (јачината) на електричното поле на низата при дожд при прескок. За да се спречи прескок на низата при делување на комутационите пренапони, треба U mp да биде поголем од амплитудата на пренапонот. Затоа, во области со полско загадување, бројот на U vn елементи во низата се одредува со помош на пресметковната кратност на внатрешните пренапони според изразот: k1u vn k1k2u n n = (2. 3) E H E H 3 mp mp каде k 1=1,1 е коефициентот кој ги зема предвид експлоатационите услови за величината на прескочниот напон под дожд, а исто така и можното повишување на напонот во однос на номиналниот линиски напон U n и претставува некој вид потребна дополнителна резерва за преод од прескочни напони кон подносливи; k 2 е пресметковна кратност на внатрешните пренапони. Опишаниот метод за избор на бројот на изолаторите во низата не го зема 0,4 ρ предвид загадувањето. Бидејќи согласно со равенката 1 U p = k Lod (овде k 1 ΔDe има друго значење во однос на коефициентот во равенката (2.3)), напонот на прескок на загаден изолатор (низата) при долготрајно делување на напонот, зависи од параметрите на загадувањето и пропорционален е на L, и затоа, при зададени od Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 92

94 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 93 параметри на загадувањето ( ρ, Δ ), веројатноста за прескок се намалува при зголемен Lod однос. Затоа, во последно време како најважен параметар и критеријум за U rab избор на надворешната изолација, се применува т.н. специфичната ефективна должина на патот на одведување: λ = e L ef U max а тоа е односот на ефективната должина на патот на одведување на изолацијата кон најголемиот линиски напон U max. Колку е поголема λ e, толку е помала веројатноста за прескок на изолаторот или низата. Врз основа на долгогодишните експериментални податоци, нормирана е минималната дозволена величина λ e за реони со различни степени на загаденост на атмосферата (табела 1). Степенот на загаденост на атмосферата од I-VI се определува според методи изложени во прописи. Областите означени со I се области со полско загадување, каде нема природни хемиски и индустриски загадувања (шума, тундра, ливада); Областа II е област каде има земјоделска активност и каде се користата хемиски ѓубрива, а исто така и индустриски области надвор од областа на минимален заштитен режим, т.е. надвор од областа која е близу до изворот на загадувањето, во која степенот на загадување припаѓа на на категориите III - VI; Област III-VI се загадени зони близу до индустриските претпријатија, близу до морето, над солени почви и езера. Табела 1: 4 Специфична должина на патот на одведување λ e за низа капасти изолатори кај воздушен вод и надворешната изолација на отворени разводни постројки (3-750)kV, во cm/kv. (Не помалку од) Степен на загаденост Номинален напон на водот, kv Номинален напон на разводната постројка, kv I 1,7 1,4 1,3 1,7 1,5 II 1,9 1,6 1,5 1,7 1,5 III 2,25 1,9 1,8 2,25 1,8 IV 2,6 2,25 2,25 2,6 2,25 V 3,5 3,0 2,0 3,5 3,00 VI 4,0 3,5 3,5 4,0 3,5 Според опасноста од загадувањата за надворешната изолација, индустриските претпријатија се делат на пет групи, А,Б, В, Г, Д. Минималните заштитни интервали 4 spored ruska literatura Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 93

95 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 94 М и зоните на разни степени на загадување на атмосферата во границите М, се наоѓаат во зависност од групите на претпријатијата според опасноста на погонот и растојанието до изворот на загадувањето. Пресметките на степените и зоните на загадување близу морето, солените езера и солените почви, се врши во зависност од соленоста на водата, растојанието од брегот или солената површина. Количеството на изолатори во низата при нормирана вредност на λ e се одбира според формулата: U e n maxλ, (2.4) Lef каде L ef е ефективната должина на патот на одведување на еден изолатор. Во својство на пример, во табелата 2 даден е бројот на капасти изолатори наменети за воздушните преносни водови и разводните постројки кои се наоѓаат во зона на полско загадување (зона I) и за надморска висина до 1000 m. Табелата е добиена со употреба на формулата (2.4) и според руските препораки, а и капастите изолатори кои се наведени се од руско производство. Бројот на изолаторите во обесните низи за 110 до 220 kv зголемен е за еден, а кај водовите со напон 330 до 500 kv за два, во однос на пресметаниот број, заради можноста некој изолатор да се повреди во експлоатацијата. Ако се работи за затезни низи, бројот на изолаторите е за еден поголем, а при номинални напони од 220 kv и неколку изолатори поголем, одошто кај обесните низи, бидејќи кај затезните низи делуваат поголеми сили и постои поголема веројатност некој изолатор да се повреди. Во реони со посилно загадување (II - IV) бројот на изолатори се одредува со равенката (2.4). При тоа, при многу загадени реони се користат и варијанти на изолатори со специјално конструирани изолатори наменети за загадени подрачја. Кај водовите со номинален напон 35 до 220 kv кои се со дрвени столбови и во реони со степен на загаденост I-III, бројот на изолаторите во низата се усвојува за еден помалку одошто на железни или железно-бетонски столбови, бидејќи дрвото претставува дополнителна изолација и прескочниот напон на изолацијата се зголемува при дожд за (15-20)%. Но, во реони со степен на загаденост од IV до VI, низите се заземјуваат, со цел да се намали опасноста од запалување на дрвото под дејство на големите одводни струи кога дрвото се загади и навлажни. Импулсната цврстина на линиската изолација која е избрана според равенките (2.3) и (2.4) е доволна за водовите од сите класи на напони, така што со употреба на релативно евтини средства за заштита од молњи се обезбедува доволно ниво на отпорност на водовите против ударите на молњата. Обидот да се зголеми отпорноста против удари на молњи во уште поголем степен, се покажува прескап и недоволно ефикасен. Доволна е примената на заземјени заштитни јажиња кои штитат од директни удари на молњата (за водовите за номинален напон од 110 до 500 kv) и примена на реактори за гаснење на електричниот лак, кои ги ликвидираат прескоците (лаковите) према земјата кај водовите со ном. напон 35 kv и помалку. Водовите на дрвени столбови имаат повисока импулсна цврстина на изолацијата одошто оние на метални столбови. Тие водови не бараат посебни заштитни мерки против удари на молњи. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 94

96 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 95 Табела 2: Број на капасти изолатори во низите кај воздушни водови и разводни постројки Изолатор тип Број изолатори при нинален напоин, kv За воздушни водови ПФ6-А ПФ6-Б ПС6-А ПС12-А ПС22-А За разводни постројки ПФ6-А ПФ6-Б ПС6-А ПС12-А Напонот на прескок во сува состојба на низата обично е повисок одошто при дожд. Сепак, при сува состојба многу важна е појавата на нерамномерна распределба на напонот по изолаторите долж низата. За ова подетално види погл Избор на воздушните растојанија кај надземните водови Воздушните растојанија претставуваат природна изолација кај надземните водови. Нивната големина треба да биде координирана на електричната цврстина на изолаторските низи и при работни напони и при внатрешни и при атмосферски пренапони. Во сите тие случаи, воздушните растојанија се избираат така, што нивните прескочни напони бидат (10-15)% повисоки од напоните кои делуваат или во краен случај еднакви на прескочните напони на изолаторските низи. Исто така, треба да се води сметка и за отклонувањето на низите под дејство на ветерот, мразот, влијанието на неповолните метеоролошки услови (веројатност 5%) врз електричната цврстина на воздушните меѓурастојанија. Например, според износот на внатрешните пренапони, прескочниот напон на воздушното меѓурастојание е (,1 1,15) 1 ku rab,max U p β кеде β е поправката заради метеоролошките услови и таа е еднаква на 0,89; 0,84; и 0,74 соодветно за висини 500, 1000 и 2000 м. надморска висина; k - е пресметковната дозволена кратност на внатрешните пренапони. При проверката на цврстината на воздушните растојанија од условот за делување на атмосферските пренапони, пресметковната величина на импулсниот прескочен напон се усвојува еднаква на 50% -ниот прескочен напон на изолаторската низа при позитивен бран. Според величините на напонот U p кој е одреден на овој начин и експерименталната зависност U pr = f ( S ) за растојанието проводник - столб, проводник - проводник, се одредува неопходното растојание S низ воздухот за воздушниот вод и соодветните димензии на столбот. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 95

97 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 96 Во некои случаи треба исто така да се земе предвид и барањето за безбедност на транспорт на луѓе и возила под воздушниот вод Надворешна изолација на разводните постројки За изолација на разводните постројки се поставуваат барања за голема доверливост, бидејќи пробивот на изолацијата во РП може да доведе до хаварија и уништување на многу скапа и одговорна опрема. Сепак, треба да се забележи дека надворешната изолација на РП работи во доста поблаги (помалку строги) услови: Територијата на РП е многу доверливо заштитена од директни удари на молњата, а брановите од атмосферските пренапони кои наидуваат по водовите, ограничени се по амплитудата од заштитните одводници. Ако пак РП е во затворена изведба, тоа е заштитено од загадување и навлажнување. Изборот на типот и бројот на обесни и потпорни изолатори во РП на отворено се врши исто како и кај воздушните водови (ВВ), имено, според специфичниот ефективен пат на одведување λ e (според табелата 1). Бројот на изолатори во прикрепувачки и затезни низи кај отвореното разводно построение (ОРП) со номинален напон kv се усвоува за 1-2 изолатори повеќе, кај оние со 500 kv - за 3, а кај оние со 750 kv за 4 и повеќе изолатори, одошто во низите наменети за воздушните водови (види табела 2). Електроопремата (електричните апарати) која е наменета за вградба во РП на отворено, зависно од должината на патот на одведување на изолацијата, се дели на три категории (според рускиот стандард ГОСТ) А - нормална изведба; Б - засилена изведба; В - особено засилена изведба. Величините на λ e за овие три категории дадени се во табелата 3. Табела 3: Дозволени величини за λ e за електрична опрема во отворени разводни постројки Категорија на опремата Однос на патот на одведување на надворешната изолација кон највисок работен линиски напон за електроопремата, cm/kv (не помалку од) При заземјена неутрална точка При изолирана неутрална точка А 1,5 1,7 Б 2,25 2,6 В 3,10 3,5 Како што се гледа од табелата, опремата од категоријата А се поставува во региони со степен на загаденост I-II, од категоријата Б - во оние со степен III-IV, а од В - во регионите со степен V. Ако се работи за уште потежок степен на загаденост (IV - VI) се препорачува ОРП да се премести на терен со помала загаденост или да се изведе како затворено РП (ЗРП). Разводните построенија од номинален напон kv воопшто не е дозволено да се изведуваат како отворени ако реонот има степен на загаденосст IV - VI. Прескочниот напон на загадените изолатори може да се зголеми со препокривање на нивната површина со полупроводлива глазура или со мачкање со Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 96

98 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 97 хидрофобна маст - премаз. Овие методи навистина доведуваат до зголемување на прескочниот напон во мокра состојба (под дожд) U mr. Сепак, овие методи не се широко прифатени и сеуште се предмет на истражување. Примената на засилена изолација или специјална изолација не ја исклучува потребата од добра контрола на загадувањето на изолаторите на ВВ и РП и од периодично чистење. Тренд во оваа област е засилување на мерките за отстранување на изворите на загадување, градба на затворени РП и РП во гасна изведба со оклоп од заземјен метален плашт (т.н. metalclad ) и примена на кабелски водови. На овој начин не само што се зголемува доверливоста на електроснабдувањето, туку се зачувува и животната средина, што е особено ценето на подрачјето на претпријатијата, градовите и другите населени места. Минималните изолациони растојанија во воздухот кај разводните постројки се избираат соодветно на испитните напони на надворешната изолација на РП. Ако собирниците се гипки (се состојат од обесени јажиња) треба да се земе предвид и влијанието на ветерот, влијанието на температурата и притисокот. Во секој случај треба да се запазат и условите за безбедност на персоналот кој послужува или врши набљудување или работи на одржување и поправки Прескочни напони и распределба на напонот долж низа од капасти изолатори во сува состојба Прескочните напони на низите на суво, и при наизменични и при импулсни напони, практично не зависат од типот на капастиот изолат. Кај низата (или кај столбестите) без заштитна армартура при градбена висина на целата низа ln = nh зависат од l n, каде што H е градбената висина на секој елементарен изолатор (на пример капест) а n е бројот на изолаторите во низата. Кај низа со заштитна арматура прескочниот напон е одреден со најмалото растојание меѓу арматурите и заземјените делови на конструкцијата, на пример конзолата на столбот. Средната јачина на полето при прескок на една изолаторска низа, слично како и во случајот на воздушни меѓурастојанија, се намалува при зголемување на должината. На сл гледаме дека при промена на растојанието од 1 до 6 м полето при празнење (прескок) се намалува од 5,5 до 2,8 kv/cm. На истата слика гледаме дека при атмосферски импулсни напони при прескокот зависноста на полето од растојанието е многу полинеарна. Заштитната арматура на низата или столбот кај изолаторите служи за заштита на изолаторите од повреди од лакот при прескок и за изедначување на распоредот на напонот по должината на низата. Арматурата е направена од метални цевки во вид на торуси, осумки и сл. За да ни стане појасно зошто доаѓа до нерамномерна распределба на напонот по низата (или по столбестиот изолатор), да ја разгледаме шемата на сликата Со C е означен сопствениот капацитет на изолаторот, со С 1 капацитетот на изолаторот во однос на заземјените делови на конструкцијата, а со C 2 е означен капацитетот во однос на проводниците под напон. Во случај на една изолаторска низа овие капацитети ги имаат следните износи: C = pf; C 2 = 0,5 1 pf; C 1 = 4 5 pf. Кога вкупниот капацитет на целата низа кој е C vk = C / n, би бил многу поголем од C 1 и C 2, тогаш без никакви проблеми би се добила рамномерна распределба долж низата, Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 97

99 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 98 одноно ист пад на напон на секој елемент од низата (на секој капест изолатор). Од горните износи, меѓутоа, произлегува дека C vk има ист ред на величина како stolb stolb и C 1, а при подолга низа - и како C 2. Затоа, без додатни арматури, распределбата на напонот долж низата е нерамномерна. Кога би било C 2 = 0, а C 1 0, тогаш најголем пад на напон би се добил на првиот изолатор до проводникот кој е под напон, а колку се оди подалеку, тој би се намалувал. Ова е поради постепеното расклонување на струјата во капацитетите C 1, бидејќи сега најголема струја би била низ првиот изолатор до проводникот под напон. Мораме да напоменеме дека овде, во случај на суви изолатори, се работи за капацитивни струи, а не проводни какви што беа при загадени и навлажнети изолатори. Исто така, во друг краен случај, имено кога C 1 = 0 и C 2 0, би се добил најголем пад на напон на првиот изолатор до конзолата, на која низата е обесена. fazen prov fazen provodnik Сл Еквивалентна шема на изолаторска низа U p MV 1,5 1,0 0, , m a) U p MV 2, ,2 1,8 1,4 1, , m b) Сл Прескочни напони на изолаторска низа во сува состојба: а) наизменичен напон: 1 без, 2 со арматури; б) ударен напон со арматура: 1 позитивни, 2 негативни напони. Во реалноста, пак, секогаш е C1 > C2, и затоа најголем пад на напон постои на првиот изолатор, сметано од фазниот проводник. Одејќи кон средината, тој опаѓа, за потоа пак да почне да расте кај конзолата. Ако вкупниот број капести изолатори во низата е 6 до 10, на првиот изолатор до фазниот проводник отпаѓа 25% од целиот применет фазен напон. Согласно со условот за отсуство на поинтензивна корона, допуштениот пад на напон на изолаторот зависи од неговата конструкција и изнесува kv. Стримерите од коронското празнење предизвикуваат радиопречки, а исто така образуваат и озон и азотни оксиди, кои предизвикуваат корозија на металните арматури. Изедначувањето на распределбата на напонот долж низата се остварува со помош на заштитна арматура, која го зголемува капацитетот спрема проводниците под напон. Сличен ефект има и примената на проводници во сноп. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 98

100 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 99 Прашања 1. Опиши ја конструкцијата на потпорен изолатор (материјали, облик, карактеристични параметри кои се даваат во каталошката ознака) Што е должина на патот на одведување? 2. Нацртај и објасни што е тоа капест изолатор, опиши ја конструкцијата, објасни за што се користи и какви му се предностите и маните. 3. Како се одвива механизмот на прескокот на еден изолатор во услови на загадување и навлажнување? Од што зависи прескочниот напон. Со која најважна величина се карактеризира изолаторот во овие услови? 4. Што е тоа специфична должина на патот на одведување? Како оваа величина може да се користи за да се одреди бројот на капести изолатори во процесот на проектирање на изолацијата на надземен вод? 5. Од што зависи прескочниот напон на една низа на капести изолатори? 6. Зошто се користат метални арматури на едниот или на двата краја на една низа од капести изолатори кај преносните водови за висок напон? 7. Објасни зошто настанува нерамномерна распределба на на напонот долж една низа на капести изолатори? 8. Кој напон е поголем кај изолаторите: пробивниот низ телото или прескочниот по површината во воздух и приближно за колку? Зошто тоа така се предвидува? 9. Зошто изолациојата на воздушните водови се одбира така, што сепак во некои екстремни услови се дозволува прескок - пробив? Зошто не се оди на целосно избегнувцање на прескоците /пробивите? 10. Какви видови низи од капасти изолатори постојат и каде се применуваат? 11. Дали има разлика во ел. цврстина на изолацијата на воздушните водови на дрвени и метални (или метално бетонски) столбови и од каде ова потекнува? 12. Кој е методот за избор на бројот на капести изолатори во низите кај воздушните водови и разводните постројки? 13. Според кои критеријуми се избираат воздушните растојанија кај воздушните водови? 14. Според кои критеријуми се избираат воздушните растојанија кај разводните постројки? Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање 07 99

101 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г ВНАТРЕШНА ИЗОЛАЦИЈА. ПРОБИВ ВО ТЕЧНИ И ЦВРСТИ ДИЕЛЕКТРИЦИ 8.1. Општо за внатрешната изолација Под поимот внатрешна изолација разбираме изолирани конструкции кои се наоѓаат во внатрешноста на апаратите и кои немаат врска со надворешнаста средина (атмосферскиот воздух) и не трпат влијание од промените во неа. Има голема разновидност кај разни видови внатрешна изолација. На пример, внатрешната изолација на кабелите е многу различна од внатрешната изолација на енергетските трансформатори. Сепак, има нешто заедничко за секој вид внатрешна изолација. Кон внатрешната изолација се поставуваат исти барања: Обезбедување на сигурна изолација при сите форми на напонот кои делуваат; компактност и задоволителна механичка цврстина и добри топлински карактеристики; долговечност, возможност за контрола на состојбата и одново воспоставување на изолацијата после ремонт. При сето тоа и цената на изолацијата треба да е прифатлива, таа да биде едноставна за изработка, и при експлоатацијата да не создава опасност заради можен пожар или експлозија. Сигурност и компактност на конструкцијата се постигнува со користење на течни, цврсти и гасовити диелектрици кои имаат високи електрични својства или добра комбинација на својства кои се во добра хармонија. Со комбинирање на квалитетни и високо електрично цврсти диелектрици заедно со различни начини на регулирање на електричното поле, се основните принципи кои водат кон задоволување на погоре спомнатите барања на внатрешната изолација. Во праксата многу добро се покажале комбинираната изолација составена од цврсти и течни диелектрици и таа масовно се користи. Во овие комбинации спаѓаат масло бариерната и масло хартиената изолација. Тие изолации се базираат врз целулозни материјали како цврста компонента и изолациони масла од минерално потекло (од земната нафта) како течна компонента. Тие материјали не се скапи и не се дефицитарни. Тие овозможиле масовно да се произведуваат енергетски трансформатори, кондензатори, кабели и други електрични апарати од сите класи на напони и било кои моќности. Во последно време се поголема примена имаат херметизирани разводни постројки во кои како основна изолација се користат гасови со висока диелектрична цврстина под повишен притисок (на пример, Сулфурен хексафлуорид SF 6 или мешавина на SF 6 со азот N 2 ). Користењето на гасови под притисок но и високиот вакум има перспектива и кај високонапонските кабели. Комбинацијата: цврста изолација со гасовита под притисок како и цврста со висок вакуум, исто така спаѓа во внатрешна изолација. Изедначувањето на електричното поле во конструкциите со внатрешна изолација е една од моќните методи за подобрување на електричните својства на внатрешната изолација, и ова спаѓа во една важна проблематика на техниката на висок напон. Пресметката на електричното поле кај сложени конфигурации на електроди и во нехомогена средина во меѓуелектродното растојание - тоа е сложена задача и таа денес се решава по правило со компјутерски софтвер (Порано се решавала со аналогни физички моделирања во електролитичка када или на полупроводлива хартија). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

102 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 101 За разлика од надворешната изолација чија електрична цврстина е директно зависна од атмосферските услови, карактеристика на внатрешната изолација е што таа е донекаде индиректно, и според тоа, слабо зависна од надворешната средина, и затоа таа е постабилна. Кај целосно херметизираните системи (кондензатори, кабели) таа зависност се одразува само на условите на ладење. Кај енергетските трансформатори, високонапонските уводни изолатори, каде кај некои изведби внатрешниот простор е во врска со надворешната атмосфера преку некој систем за дишење (заради топлинските дилатации), влијанието на околната средина ќе се јави постепено (после подолго време), преку оксидација (закиселување), навлажнување, заситување со гасови и со загадувачки компоненти во внатрешната изолација. Затоа, посовремените решенија имаат некои специјални заштитни конструкции со кои се штитат од оксидација и навлажнување или се оди на целосна херметизација. Бидејќи во конструкциите со внатрешана изолација неизоставно се присутни цврсти елементи, при нејзиниот пробив настануваат неповратни промени, т.е. внатрешната изолација за разлика од надворешната не е самообновлива. Пробивот во внатрешната изолација доведува до исклучување на апаратот и скап ремонт. Затоа, сигурноста и резервата во цврстината кај внатрешната изолација мора да е повисока одошто кај надворешната. Како показател за сигурноста на внатрешната изолација е средниот рок на служба при дадени напрегања, а не бројот на прескоци (пробиви) како што е тоа кај надворешната изолација. Рокот на служба на внатрешната изолација зависи од делувањето на многу фактори: напонот, температурата, механичките напрегања. Целосното земање предвид на сите фактори за конкретен случај на електричен апарат и услови на работа практично не е можно, и затоа пресметката и конструкцијата на внатрешната изолација обично се врши според најголемите дозволени вредности на делувањето (јакоста на ел. поле, температурата и друго). Фактот што тие делување во праксата не се така интензивни, допринесува да се добие одредена резерва на цврстината. Атмосферските и внатрешните пренапони кои делуваат повремено врз внатрешната изолација треба да бидат поднесени без пробив или опасни локални повреди. Затоа, паралелно со долготрајната електрична цврстина (дадена како напон или јачина на полето), со која се определува способноста на изолацијата да ги издржи работните напони во текот на целиот прифатен рок на експлоатација (20 до 30 години), многу битно е познавањето на кратковремената електрична цврстина на изолацијата, која овозможува да се оцени нејзината способност да се спротивстави на кратковремените напонски делувања со дадено времетрање и форма на импулсот. Поимот кратковремена електрична цврстина при ова не е еднозначно определен и ги опфаќа следните делувања: 1. Апериодичен имулс на атмосферски пренапон со траење 10 до 100 μ s ; при одредувањето на импулсната кратковремена цврстина, се користи цел (1,2/50) или пресечен (2-3 μ s до сечењето) испитен импулс; 2. Импулсното делување со осцилаторен облик со траење μ s, карактеристично за внатрешните (комутационите) пренапони; 3. Наизменичен напон кој се подига со одредена брзина се до пробивот; 4. Приложување на наизменичен напон одеднаш или преку пораст со одредена брзина, со последователно задржување на напонот за одредено време. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

103 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 102 Според прописите, основен вид на фабрички приемно-предајни испитувања на апаратите се испитувањата со наизменичен напон со индустриска фреквенција при едноминутно траење под напон и испитување со импулсни цели и пресечени бранови. Но при овие испитувања не се определува кратковремената цврстина, туку се проверува соодветниот дозволен (уште познат под поимот поднослив ) напон. Бидејќи и кратковремената и долготрајната цврстина на внатрешната изолација, а исто така и карактерот на пробивот, зависат од времето и формата на напонот кој дејствува, волтсекундната карактеристика има посложен вид одошто тоа беше случај кај воздушните меѓурастојанија. Практично е невозможно точно да се конструира вистинскиот облик на волтсекундната карактеристика на реалните конструкции на внатрешната изолација. Тоа е затоа што секој пробив води до нејзино разрушување и неупотребливост за натамошни експерименти со истиот примерок. Затоа, изучувањето на електричните параметри на некои карактеристични конструкции на висок напон се одредуваат на упростени физички модели. (на пример, кај кабелите се испитуваат кратки парчиња кабел). Во некои поодговорни случаи се користат и макети. Но, макетите, моделите и изработките секогаш понешто се разликуваат едни од други, и процесот на пробив се подчинува на статистички закони, и според тоа, параметрите кои се добиваат имаат големи статистички растурања. Тоа уште повеќе ги отежнува одредувањето на сигурните податоци. Обично се задоволуваме со приближна оценка на средната и минималната цврстина и величината на средноквадратното отстапување, со намера од минимален број резултати да се добие максимална корист, со богато применување на математичкиот апарат на теоријата на веројатност и математичката статистика. Фабричките испитувања на внатрешната изолација на апаратите им ја гарантираат работоспособноста на новиот апарат при делувањето на пренапоните. Прашањето за карактерот и степенот на промена на параметрите на внатрешната изолација при нејзината работа во текот на десетици години, во конечен смисол се решава во процесот на експлоатацијата. Причините и закономерностите на природното стареење (при нормален режим на работа и дозволени делувања) како и забрзаното стареење (при зголемена температура, напон) кои се изучуваат во лабораториски услови врз примероци, овозможуваат да се изнајдат патишта за зголемување на долговечноста на конструкциите и помага за примена на профилактички мерки за одржување на параметрите во потребните граници. Тие истражувања како и искуството од експлоатацијата покажуваат дека стареењето на изолацијата се пројавува не само во намалување на нејзината кратковремена цврстина, туку и во промените на аголот на диелектричните загуби, изолациониот отпор, капацитетот и другите физичко-хемиски карактеристики. Имено, тие величини се важни, како индиректни показатели за состојбата на изолацијата и обично се нормираат (пропишуваат). (Види понатаму во поглавјето за профилактичките испитувања на изолацијата). Проблематиката на профилактичките испитувања на изолационитот систем е важна дејност на инженерот кој се грижи за експлоатацијата на електричните апарати. Притоа се битни и познавањето на физичко-хемиските процеси кои водат до непожелно изменување на изолацијата, методите на профилактички испитувања и критеријумите за оценка на состојбата кои се неопходни за сигурна и долготрајна работа на внатрешната изолација. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

104 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г Пробив во изолациони течности Општи својства на течните диелектрици Диелектричните течности може да се класифицираат според нивната природа и според степенот на чистота. Најчесто користен течен диелектрик во изолационата техника е минералното изолационо масло добиено од земната нафта. Хемискиот состав на маслото е сложен. Тоа претставува мешавина од разни јагленоводороди од видот нафтенски, парафински и ароматски во различни пропорции 1. Освен минералното масло, се примениуваат и други масла од синтетичко потекло (например, силиконските масла каде наместо јагленород, во молекулата има силицијум), како и некои природни масла (например рицинусовото) добиени од растителни семиња. Хемиски чистите и истородни течни диелектрици многу е тешко да се добијат и зачуваат чисти, и во техниката тие и не се користат. Технички чистите течни диелектрици кои се користат во големи количини за изолација, содржат цврсти, течни и гасовити примеси, кои во значителна мерка ги определуваат нивните електрични својства. Изолационите масла од минерално потекло како и силиконското масло, спаѓаат во неполарни течни диелектрици, чија релативна диелектрична пропусливост ε r лежи во границите од 2,2 до 2,5. Рицинусовото масло е поларно со ε r = 5-6. Специфичната волуменска проводливост σ на неполарна диелектрична течност многу зависи од степенот на очистувањето и може да биде намалена до S/m. Технички чистите неутрални течности имаат σ =10-11 до S/m. При не многу високи јачини на електричното поле во течните диелектрици, подвижни носители се јоните (проводливоста има јонски карактер). Носители на струја се исто така и оптоварени страни телца - честички (примеси) и ова се нарекува катафоретска проводливост. Јонската проводливост на течностите е определена од степенот на дисоцијација 2 на основните молекули на течноста и на примесите, и во значителна мерка зависи од природата на течноста и од температурата: B σ Aexp T (1) каде A и B се константи за дадена течност. Јонската проводливост на поларните течности обично е за неколку реда величина поголема одошто на неполарните. Катафоретската проводливост го нарекуваме процесот на проводливост во техничките течни диелектрици заради движење на оптоварени честички, многу поголеми од молекулата (кои всушност се примеси - нечистотии, страни телца). Таа проводливост зависи од природата, 1 Ovie poimi se stru~ni poimi od organskata heija i se odnesuvaat na vidot na molekulata na jaglenovodorodot. Poimot naftenski se odnesuva na molekula kade jaglenorodnite atomi se svrzani vo vid na prsten, parafinski - ako jaglenorodnite atomi se vo vid na otvorena niza, aromatski, ako osnovata na molekulata ja ~ini benzolovoto jadro koje e isto taka specijalna cikli~na (zatvorena) vrska na jaglenorodnite atomi. 2 disocijacija e razdeluvawe na molekulite na te~nostite na pozitivni i negativni joni i sekoja te~nost na dadena termperatura se karakterizira so odreden stepen na disocijacija. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

105 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 104 размерите и количестовото на примесите и брзо се зголемува со порастот на температурата. (Овде влијае и опаѓањето на вискозноста со температурата). Изразот (1) важи и за катафоретската проводливост, и во добро очистените течности тешко е да се разликуваат обата вида проводливост посебно. Во загадените течни диелектрици се јавува феноменот на електрично очистување : при подолготрајно течење на струјата, оптоварените страни честички постепено се таложат на електродите, и според тоа σ и јачината на струјата се намалуваат. При високи предпробивни јачини на полето (E >100 kv/cm) во течните диелектрици се посматра експоненцијално зголемување на струјата: [ ce] I = I exp. Оваа појава, која е проследена и со други појави (дискретни импулси на струјата, 0 светкање во течноста при електродите и во волуменот), сведочи дека при високи јачини на полето, постои процес на судирна јонизација на електроните и се јавува и електронска проводливост. Диелектричните загуби во течноста се сума на загубите заради проводливост и релаксационите загуби, кои се карактеристични за поларните течности. За неполарните течности постои еднозначна врска меѓу проводливоста σ и тангенсот на аголот на диелектричните загуби tg δ : σ = ωεtgδ. Величината на tg δ на изолационото масло при фреквенција од 50 Hz се движи во границите од 0,003 до 0,005 (при собна температура) и исто така зависи од степенот на чистотата на течноста. Сепак, во праксата, загубите во маслото при 50 Hz се мали, и ако режимот на работа е проследен со одведување на произведената топлина, не настапува битен пораст на температурата и затоа износот на tg δ, σ и ε r немаат директно влијание врз пробивниот напон на меѓурастојанијата со масло. Електричната цврстина E pr на добро очистена и хемиски хомогена течност може да надмине 1MV/cm. Пробивот во тој случај носи карактер на електронски пробив, и неговиот механизам во многу е сличен со механизмот на пробив во гасови. Почетните електрони во течноста се појавуваат како резултат на автоелектронска емисија 3 од катодата. Волуменскиот товар кој се создава го изобличува електричното поле кај катодата и уште повеќе се зголемува струјата на автоелектронската емисија, се олеснува ударната јонизација и се појавуваат секундарни електрони; се образува стример, а потоа настанува пробив. Електричната цврстина на технички чист течен диелектрик ретко надминува 300 kv/cm, а по правило се движи од 200 до 250 kv/cm. Износот на електричната цврстина на техничките течни диелектрици се одредува од E pr = U pr / S. При тоа се користат електроди со специјална форма со нормирано растојание S меѓу нив. Системот електроди (лонче од изолационен материјал со вградени електроди) за испитување на масло дадено е на сл. 1. И останатите услови на одредувањето на експериментите 3 avtoelektronska emisija e isto {to i ladna emisija, odnosno direktno emitirawe na elektroni od katodata pod dejstvo na silno elektri~no pole Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

106 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 105 се нормираат (меѓуелектродното растојание, брзина на подигање на напонот, број на експерименти, пауза меѓу експериментите, промешување на маслото после пробив и сл.). сл. 1. Стандардно лонче со вградени електроди за испитување на диелектричната цврстина на течни диелектрици Диелектричната цврстина E pr служи за споредба на диелектричните течности од различна природа и различен степен на очистување. Но напонот на пробив во меѓуелектродни растојанија со течни диелектрици, односно, во конкретните изолациони конструкции, зависи од степенот на нехомогеноста на полето и никако не може да се определи поаѓајќи од вредноста на диелектричната цврстина E. pr Релативно ниската диелектрична цврстина на техничките течни диелектрици се објаснува со присуството на разни примеси: - вода, цврсти честички, гасни меурчиња. Примесите може да се наоѓаат во разни количества и во различни взаимни односи. Нивното однесување и влијание зависи од формата на полето, јачината на полето, формата и долготрајноста на напонот кој делува, температурата, притисокот и др. Затоа, многу е тешко да се создаде една единствена теорија за пробивот во технички чисти диелектрични течности. Постоечките теории во фокусот го ставаат само еден фактор, на пример, влијанието на влагата, гасот или цврстите честички. Практичната вредност на тие теории е релативна, бидејќи тие не даваат можност да се определи пробивниот напон во конкретните изолациони конструкции. Затоа, за таа цел се прибегнува кон експериментални податоци. Но сепак, постоечките теории помагаат да се изнајде правилно решение при припремата и анализата на резултатите од експериментите, при проектирањето и експлоатацијата на течна или комбинирана внатрешна изолација, и затоа накусо нивната суштина ќе биде објаснета во следниот текст Пробив во минерално изолационо масло Минералните масла според употребата се делат на трансформаторско, кондензаторско и кабелско. Тие се разликуваат според својот хемиски состав, степенот на чистотата, вискозноста, диелектричната пропусливост. Но основните својства на пробивот се исти. Напонот на пробив на едно маслено меѓурастојание битно зависи од формата на полето. Во хомогено електрично поле тој е битно поголем одошто во нехомогено. Затоа во практичните конструкции секогаш се стремиме електричното поле да се приближи до хомогено, по пат на заокружување издадените метални делови и рабови на електродите. Диелектричната цврстина на маслата во хомогено поле се одредуваат во стандардно лонче со стандарден систем на електроди (сл.1) при непрекинато подигање на напонот Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

107 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 106 (наизменичен, со фреквенција од 50 Hz) со константна и пропишана брзина се до пробив. Притоа се добива доста големо растурање на пробивните напони околу средната вредност. Диференцијалната крива на распределбата на веројатноста на пробивот зависи од висината на приложениот напон и таа е блиска до нормалната распределба (иста како кај воздушните меѓурастојанија) и отстапувањето од средната вредност кај слабо очистените масла изнесува 40 до 50%. Кај подобро очистените масла растурањето намалува. При силнонехомогено поле растурањето се намалува. Случајниот карактер на пробивот се јавува заради случајниот распоред на примесите во меѓуелектродниот простор, нивното случајно движење, деформација, создавање на нивни низи и слично. При нивното неповолно рапоредување, се добиваат минимални пробивни напони. Водата која е присутна во маслото, ако е во мали количеста, се наоѓа во молекуарен раствор. Зависно од температурата, во маслото може да се раствори од 4*10-3 % (при 20 0 C) до 4*10-2 %(при 80 0 C) волуменски вода (изразено во милионити делови, од 40 до 400 ppm). Ако има повеќе вода, таа се издвојува во емулгирана состојба (во вид на ситни капки) или се таложи на дното на садот. (Ако мирува има тенденција да паѓа на дното, ако се размеша интензивно, голем дел ќе премине во емулзија). сл. 2. Типична зависност на диелектричната цврстина на трансформаторското масло од тежинската концентрација на водата во маслото. Дури и незначителни примеси вода многу ја снижуваат диелектричната цврстина на маслото (слика 2). Особено силно делува емулгираната вода (во вид на ситни капки). Уште посилно намалување на диелектричната цврстина на влажните масла се добива при присуство на хигропскопни честички во маслото, - влакна кои потекнуваат од хартијата и картонот (при комбинираните изолациони системи) или од ткаенини. При силно навлажнети масла, често се јавуваат парцијални празнења (празнења кои не го премостуваат целото меѓурастојание меѓу електродите). Едно од теориските објаснувања за влијанието на водата вели дека под дејство на силното електрично поле, капките вода (која има висока релативна диелектрична пропусливост, ε r =81) се издолжуваат (добиваат форма на елипсоид) во правецот на електричното поле. На краевите на елипсоидот јачината на електричното поле е уште посилна, што може да доведе до развој на електронски лавини и пробив. Според друга теорија, под влијанието на полето, навлажнетите и поларизирани честички, или капките вода, се движат во насока на појакото поле (по градиентот) и се акумулираат таму и се сврзуваат меѓу себе во меѓуелектродното растојание. Со взаимно дејство на честичките, се градат мовчиња кои го премостуваат меѓуелектродното растојание. На таков начин, пробивот се случува заради овие мовчиња што е и докажано во праксата. Исто така, се јавуваат и посматраат парцијални празнења меѓу честичките и електродите и меѓу одделни честички и во крајните точки на водените капки, во вид на светкање. Сите овие процеси го олеснуваат пробивот. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

108 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 107 Од сето кажано, произлегува потребата од добро очистување на маслото од влагата и механичките загадувања, пред да се залеат апаратите со масло како и будна контрола на квалитетот на маслото во процесот на експлоатацијата. Влагата во маслото може да доспее и во процесот на работа, на пример преку системот за овозможување на топлинска дилатација на маслото од апаратот (на пр. трансформаторот), односно таканареченото дишење на трансформаторот. преку дилатациониот сад кој во крајна линија е поврзан со цевка со атмосферата. Но кон образување на вода во маслото во процесот на експлоатација придонесува и процесот на оксидација (закиселување) на маслото. Пробивниот напон на масленото меѓурастојание во хомогено поле зависи од надворешниот притисок. Таа зависност е различна за дегазирано и недегазирано масло. Причината е што маслото во допир со воздухот има способност во себе да раствора гасови. На пример, во обични услови во еден литар масло може да се растворат до 100 cm 3 воздух. Сл. 3 Зависност на пробивниот напон на маслото од надворешниот притисок. 1- дегазирано масло 2- недегазирано масло На сликата 3а и 3б прикажани се зависностите на електричната цврстина на дегазираното масло (крива 1) и недегазираното (крива 2) од притисокот. Бидејќи течностите се држат како компримирани под дејство на меѓумолекуларните сили, например со притисок до 200 Mpa, при промена на надворешниот притисок во границите до неколку мегапаскали, густината на течноста не се менува. Затоа, промената на електричната цврстина на течниот диелектрик во зависност од надворешниот притисок, всушност е заради влијанието на гасната фаза -гасните меурчиња. Под влијание на силно електрично поле, растворениот гас во маслото се издвојува во вид на меурчиња. Одвојувањето на гасот може да биде повлијаено и од промените на температурата, притисокот при циркулацијата на маслото, вибрациите на цврстите детали кои се потопени во маслото. Разлагањето на маслото и појавата на меурчиња се посматра и при слабите парцијални празнења. Јачината на електричното поле во гасните меурчиња е поголема во споредба со средната јачина на полето во маслото (позната појава од теориската електротехника, дека односот на јачината на електртичното поле во меурче гас во течен диелектрик, е обратно пропорционална на релативната диелектрична пропусливост. Маслото има ε r =2,2 а воздухот има ε r =1). Оваа појава е причина за пробив во гасното меурче, што всушност е и парцијално празнење. Ако гасното меурче е доведено во јонизирана состојба, тоа претставува проводлива примеса, која се издолжува долж силовите линии на електричното поле и јачината на ел. поле на неговите краишта нагло се зголемува, што го олеснува развитокот на ударната јонизација во маслото и пробивот. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

109 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 108 Сл. 4. Зависност на пробивниот напон на навлажнето масло од температурата. Сл. 5. Напон на пробив на маслено меѓурастојание топка плоча (криви 1,2,3,4 соодветно) за топка со дијаметар на топката од 50,25,15 и 5 cm) и шилец плоча (крива 5). Во нехерметизираните високонапонски апарати маслото се заситува со воздух. Во херметизираните кондензатори, маслонаполнетите кабели, се користи темелно дегазирање на маслото и примена на систем за зголемен притисок, со што значително се зголемува дозволената јачина на полето во изолацијата. Исто така и кај мерните трансформатори се применуваат разни системи за дилатација на маслото со кое е спречен директен контакт со атмосферскиот воздух. Електричната цврстина на многу навлажнето масло битно зависи од температурата, сл.4. Порастот на цврстината при зголемувањето на температурата и максимумот при C се објаснуваат со преминот на емулгитраната вода во молекуларен раствор. При температури над C, цврстината почнува нагло да опаѓа се појавува гас заради вриење на примесите со ниска точка на вриење (водата) и лесните фракции на маслото. Сликата 5 покажува дека со зголемувањето на степенот на нехомногеноста на електричното поле, пробивниот напон на маслените меѓурастојанија се намалува и минималната вредност ја достига кај системот шилец плоча. При тоа во силно нехомогено поле веќе не се јавува битна зависност на пробивните напони од количеството и карактерот на примесите, т.е. од електричната цврстина на маслото одредена во стандарден систем на електроди. Затоа, за технички чистото трансформаторско масло, оценката на пробивните напони на меѓурастојанијата шилец шилец и шилец плоча, може да се одреди според емпириските формули: - за систем шилец плоча: - за систем шилец шилец: 0,7 U pr = 39S kv max ; 0,7 U pr = 30S kv max ; m или, во општ облик, U pr = BS, каде S е растојанието меѓу електродите, ; B, m, се експеримантално одредени коефициенти. Исто така, и во слабо нехомогени електрични полиња, ако растојанието меѓу електродите е големо, зависноста на пробивниот напон од степенот на загаденост е слабо зависна. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

110 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 109 Ако напонот е еднонасочен, во системот електроди шилец плоча во маслото се јавува ефектот на поларноста на ист начин како што се јавува кај воздушни меѓурастојанија (сл.6). Сл. 6. Зависност на пробивниот напон на трансформаторското масло од растојанието за систем електреоди шилец плоча при позитивен (1) и негативен (2) поларитет на шилецот (важи за амплитудните вредности). Сл. 7. Зависност на пробивниот напон на масло од времето на делување на напонот. Импулсната цврстина на маслените меѓурастојанија е многу поголема одошто за наизменични напони со фреквенција 50 Hz и за еднонасочни, и практично не зависи од количеството и карактерот на примесите. Коефициентопт на импулсот 4 k i за стандардни импулси за силно нехомогено електрично поле се движи од 1,4 до 1,5, а за хомогено поле достигнува вредност 3 и повеќе. И при импулсните делувања се јавува ефектот на поларитетот. Во ситемот шилец плоча пробивниот напон при позитивни импулси е помал одошто при негативен (приложен на шилецот). Толкувањето на феноменот за зголемена диелектрична цврстина при импулсни делувања во системи со хомогено и слабонехомогено поле се објаснува со фактот што за да се оствари процесот на деформација на капките или меурчињата и да се обрзуваат низи од примесните честички, потребно е време. Колку е пократко времето на делувањето на напонот, толку е помала веројатноста за образување на слабо место по кое би се развивал пробивот. При многу мали времиња на делување на напонот од редот до 10-7 секунди, се јавува феноменот на закаснување на пробивот, слично како што тоа се случува и во воздушните меѓурастојанија. Растурањето на пробивните импулсни напони е доста големо (десетици проценти). Зависноста на напонот на пробив на маслените меѓурастојанија од времето на делување на напонот може да се види нагледно од волт-секундната карактеристика прикажана на сл.7. Делот I одговара на чисто електричен пробив. Пробивот во делот II е определен и од релативно побавните електромеханички процеси, образувањето на низи, преместувањето и деформацијата на капките и шуплините, вриењето на лесно-испарливите примеси. Монотоно снижување на пробивниот напон во времето од 1 до 100 секунди и повеќе, особено е карактеристично за навлажнето и загадено масло. Ако маслото се очисти, тој дел добива поблаг опаѓачки облик. Колку е поголема брзината на порастот на напонот, толку е поголем напонот на пробив на масленото меѓурастојание. Таа зависност природно 4 Koeficient na impulsot e odnos temenite vrednosti na probivniot napon pri impulsno deluvawe vo odnos na probiven napon pri naizmeni~en napon so 50Hz. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

111 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 110 произлегува од видот на волт-секундната карактеристика. Затоа и брзината на подигање на напонот при испитувањето на апаратите наполнети со масло се нормира. Прашања 1. Дефинирај го поимот внатрешна изолација. Наведи неколку примери на внатрешна изолација. Кои комбинации на диелектрици се користат како внатрешна изолација. Според кои принципи/барања се изведува внатрешната изолација. 2. Каков е карактерот на пробивот на внатрешната изолација (самообновлив / несамообновлив)? Какви се последиците ако се случи пробив на внатарешната изолација? 3. Дефинирај што е тоа рок на служба на внатрешната изолација. Што е тоа краткотрајна и долготрајна електрична цврстина? 4. Кои се основните фгабрички испитувања (примо-предајни) на апаратите кои имаат внатрешна изолација во однос на изолацијата и што е тоа поднослив напон? 5. Објасни што се тоа хемиски чисти и технички чисти изолациони течности. Кои имаат поголемо значење во практиката? Во што е разликата и како таа се одразува на својствата? 6. Каков е карактерот на проводливоста кај течните диелектрици? Од што зависи проводливоста? Кои се носители на проводливоста? Како зависи проводливоста од јачината на ел. поле? Кои се влијателни величини? 7. Опиши го стандардното лонче и постапката за одредување на диел. цврстина на течните диелектрици. 8. Какви се загубите во течните диелектрици и од што се причинети? 9. Според теоријата, како настанува пробив во течните диелектрици? (механизмите на пробив)? Како влијаат на пробивот примесите, влагата, температурата и притисокот? 10. Дали и кај течностите се јавува ефектот на поларноста и при кои услови? 11. Опиши ја и нацртај ја V-s карактеристика на изолационите течности и објасни како се толкува истата? Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

112 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г ЦВРСТИ ДИЕЛЕКТРИЦИ КАКО ВНАТРЕШНА ИЗОЛАЦИЈА Општи својства Цврстите диелектрици масовно се користат во изолационата техника на апаратите заради нивните многу добри електрични својства, но и затоа што имаат улога на конструктивни материјали (прицврстување, носење). При конструкцијата и експлоатацијата на цврстите изолациони конструкции, неопходно е максимално да се искористат електричните, механичките и термичките можности на материјалот. Точното земање предвид на тие можности во конкретните конструкции се усложнува од многу фактори (форма на полето, делување на пренапоните, температурата, механичкото оптоварување кое потекнува однадвор и др). Затоа и сега, како впрочем и кај сите други видови изолација треба во голема мерка да се ориентираме на експериментални резултати на истражување на примероци и модели и на насобраното искуство. Сепак, знаењето на електричните, механичките, термичките и другите својства на различни цврсти материјали ја олеснува задачата за конструирање на изолацијата и во некои случаи овозможува нејзина пресметка. Механичките карактеристики (јакост на истегнување, притисок или свиткување) зависат од видот на материјалот и исто така се важни при неговиот избор за изолација. Топлинските својства на материјалот (топлинска постојаност, топлинска проводливост) се тесно поврзани со електричните својства и во значителна степен ги определуваат рокот на служба, условите и сигурноста на работата на изолационите конструкции. Класите на топлинска постојаност на материјалот според прописите се: класа на топлинска Y A E B F H C постојаност макс. дозв. темп. 0 C >180 Специфичната волуменска проводливост на цврстите материјали лежи во границите S/m и зависи од температурата според: [ α( 293) ] σ T = σ 0 exp T (1) каде σ 0 е проводливоста при 20 0 C; σ T е проводливоста при дадена температура; α - температурниот коефициент, кој се движи меѓу 0,01 0,04, во зависност од видот на материјалот. Проводливоста исто така зависи (расте со порастот) на јачината на приложеното електрично поле E : [ ( E )] σ E = σ 0 exp α E 0 (2) каде σ 0 е проводливоста при слаби полиња каде E < E0. Спроводливоста во цврстите диелектрици, исто како и во течните, одредена е во главно од движењето на јоните и зависи од видот на диелектрикот, од примесите, од Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

113 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 112 дефектите во кристалната решетка. При силни електрични полиња, наглото зголемување на струјата предизвикано е од електричната спроводливост. Изолациони клинови за жлебовите кај вртливи машини за вцисок напон изработени од стаклолит Делови за малкумаслени прекинувачи во вид на цевки од стаклолит Површинската спроводливост на цврстите материјали зависи од состојбата на површината, степенот на нејзината навлажнетотст и загадувањата и кај еден ист материјал може да варира за неколку реда величина (неколку степенови показатаели за основа 10). При ова понекогаш струите кои ползат по површината може битно да ги надминат волуменските струи. Релативната диелектрична пропусливост на неполарните ( ε r = 2 3) и слабополарните ( ε r = 3 6) цврсти диелектрици во дозволените температурни промени, се менува многу помалку. Диелектричната пропусливост при променливи (наизменични) напони влијае врз распределбата на напонот по слоевите на многуслојниот диелектриоик и овој факт често се искористува за изедначување на електричното поле и за управување на распеределбата на јачината на електричното поле. Специфичните загуби p (W/m 3 ) во диелектрикот при променлив напон се дадени со: 2 p = ωεe tgδ (3) каде ω е аголната фреквенција (s -1 ), E e jачината на на електричното поле (V/cm) и δ е аголот на диелектричните загуби. Тангенсот на аголот на диелектричните загуби, а според тоа и специфичните загуби зависат од температуирата по експоненцијален закон: p ( tgδ ) exp[ ( T T )] 2 T = E T α 0 ωε (4) 0 p T Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

114 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 113 каде ( tgδ ) T 0 одговара на почетната условно усвоена температура T 0 ; α е температурен коефициент. Пробивот во цврстите изолациони конструкции обично се извршува со образување на проводлив канал од едната до другата електрода или преку битно разрушување на структурата на диелектрикот. Пробивот може да има различен карактер, зависно од условите и тоа: - брз, лавинско-стримерен процес, наречен електричен пробив - бавен процес, при кој настанува пораст на температурата која ја надминува топлинската постојаност на материјалот и доведува до негово разрушување (растопување) - прогорување) и се вика топлински пробив; - уште побавен процес на разрушување заради делување на парцијалните празнења во локално ослабени делови на цврстата изолација (гасни шуплини или примеси), наречен јонизационен пробив. Се разбира, при секој механизам на пробив, ако се случи, материјалот ќе се карактеризира со своја посебна диелектрична цврстина, која може да е многу различна Топлински пробив Зголемувањето на загубите при повишена температура доведува до понатамошно загревање на материјалот. Со зголемувањето на температурата, се зголемува и одведувањето на топлината од изолационата конструкција кон надворешната средина. Но ако при овие процеси стапката на генерирање на топлината ја надмине стапката оддавањето, можно е процесот да тече во еден правец, имено, кон се поголемо загревање и повишување на температурата на изолацијата и да води во еден неповратен процес чиј завршеток е термичко уништување на материјалот или негов пробив. Таквиот пробив го нарекуваме топлотен. Всушност, секој пробив е електричен, односно настанува под дејство на електричното поле, но при топлинскиот пробив пробивот настанува при многу пониска јачина на електричното поле, бидејќи материјалот е електрично ослабен заради загревањето. Квалитативна теорија за топлинскиот пробив била предложена од германскиот научник Вагнер. Нека, според сл. 1 посматраме слој диелектрик со дебелина a меѓу две електроди и во диелектрикот еден цилиндричен канал со пресек S. Во тој канал се генерира топлинска моќност: 2 P = ωε E ( tgδ ) exp[ ( α( T T ))]Sa (5) gen T0 0 P odd Истовремено, од истиот канал се оддава топлинска моќност ( T T 0 ) S ' = k (6) каде k е коефициентот на оддавање на топлина, W/(Km 2 ), a оддава топлината. S ' е површината преку која се Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

115 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 114 Сл. 1 Шема на цврст диелектрик кај кого е можен топлински пробив. Сл. 2. Зависност на генерираната моќност P T1 (или )која се развива во каналот и оддадената P gen P T 2 (или P odd ). Првата зависност е експоненцијално растечка со растењето на T, а втората - линеарна, сл. 2. Генерираната моќност според (5) прикажана е со три криви за разни вредности на напонот ( U > U > ). Точката 2 за која важи 1 2 U 3 Pgen Podd = (7) T T го дава минималниот напон U 2 при кој настанува топлинска рамнотежа но и топлинска нестабилност а потоа неминовно следи и топлински пробив во изолацијата. При помали напони, например при U = U 3 во точката 1, при температура T 1 настапува стабилна топлинска рамнотежа, додека во точката 3 (при температура T 3 ) настапува нестабилна топлинска рамнотежа. (Точката 1 е стабилна во тој смисол, што при било какво отклонување на температурата T, режимот сам се враќа во точката 1. Точката 3 е нестабилна во смисла што и при најмало отклонување на температурата во смер на растење, порастот на T неповратно оди кон се поголеми температури бидејќи е P gen > Podd ). Ако напонот е уште поголем од U 2, тогаш настанувањето на топлинскиот пробив е неизбежно штом се приклучи напонот, бидејќи воопшто нема топлинска рамнотежа. Со анализа на приложените формули закључуваме дека пробивните напони при топлински пробив се намалуваат при зголемени дебелини на изолацијата a, при намалувањето на коефициентот на топлинското оддавање k, при зголемувањето на ( tgδ ) T 0, зголемување на ε, ω и α. При зголемувањето на температурата на надворешната средина, автоматски се tgδ, и напонот на топлинскиот пробив се намалува. Типична зависност на зголемува и ( ) T 0 f ( ) U pr = дадена е на сликата 3. T 0 Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

116 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 115 Сл. 3. Зависност на напонот на пробив на порцелан од температурата на околната средина; I - област на температури при кои топлински пробив не настапува; II - област каде настапува топлински пробив. Величината на ( ) 0 tg δ 20 претставува електрично својство на материјалот кое овозможува да се суди за можностите на материјалот во однос на топлинскиот пробив. Ако во процесот на експлоатација на изолацијата настане голем пораст на ( tg δ ) 0 20, кое е можно, на пример, при навлажнување на изолацијата, во крајна линија ова може да доведе до топлотен пробив. Со цел да се спречи топлотниот пробив, важно е да се обезбеди ниска температура на површината каде се оддава топлината и да се подобри топлинскиот одвод. Тоа се врши уште при самото проектирање конструкцијата на изолациониот систем и апаратите, на пример со воведување на систем на форсирано ладење, создавање на канали во длабочината на изолацијата, предвидување на канали низ кои ќе циркулира флуидот за одведување на топлината (например, маслото, воздухот, водородот, зависно од конструкцијата), по можност намалување на дебелината на изолацијата и сл. При високи фреквенции како превентива на топлинскиот пробив се користат специјални материјали со многу низок tg δ. При еднонасочен напон, загубите во диелектрикот се одредени не со проводливоста σ, и наместо изразот (5), се користи изразот: 2 = E σ exp[ α( T T )]Sa (8) P gen 0 0 tg δ, туку со Во другите аспекти, теоријата на топлински пробив при еднонасочен напон и наизменичен напон и не се разликува. Бидејќи проводливоста на цврстите диелектрици е мала, појава на топлински пробив во здрава и сува изолација при еднонасочен напон и не е веројатна. Опишаната физичка слика и пресметка на U pr важат за стационарен режим услови (долготрајно приложен напон). Ако напонот кој делува е краткотраен импулс, прашањето дали се случува топлински пробив се решава експериментално, бидејќи теориски тој проблем е тешко решлив. Искуството покажува дека при напони многу повисоки од U pr, времето за да се развие топлински пробив е многу големо, од редот на минути. Но сепак, има показатели дека сепак, топлинските процеси играат битна улога и при развојот на пробивот дури и при многу краткотрајни па дури и импулсни напонски делувања. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

117 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г Електричен пробив и пробив при кратковременски делувања Ако се спречи преголемо загревање на диелектрикот во погонот, преку ефикасно одведување на топлината во околната средина, или преку намалувањето на загубите, напонот на топлинскиот пробив ќе се стреми кон бесконечност, т.е. не е можно да настани топлински пробив (ова не значи дека пробив воопшто не може да настани, туку тој не може да настани како толински, односно според механизмот на топлинскиот пробив, туку според некој друг механизам, опишан со други математички равенки односно друг физички процес). Малку е веројатно и настанувањето на топлинскиот пробив и при кратковремени делувања на напонот, например при импулси. Во таков случај можен е т.н. електричен пробив. Јачината на хомогеното електрично поле при кое настанува електричен пробив е одредена од физичката структура на материјалот и претставува негова карактеристика. За мнозинството диелектрици таа јачина на полето се наоѓа во границите меѓу 10 6 и 10 7 kv/cm. Експериментално таа може да се одреди со проби со специјална форма (сл. 4а) при кои е исклучена појавата на парцијални празнења по површината на изолацијата и понекогаш се нарекува внатрешна или вистинска електрична цврстина (Во англиската литература се нарекува instrinsic electrical strenght ) Сепак, може да се каже дека изразот вистинска не треба да се сфати буквално. Со натамошно усовршување на условите при кои се спроведува експериментот, се добиваат уште повисоки износи на вистинската електрична цврстина. Постојат многу теории за електричниот пробив на цврстите диелектрици. Иако квантитативните резултати на повеќето од нив не се совпаѓаат со експерименталните податоци, некои од нив правилно ја одразуваат физичката слика на процесот на пробив во едноставни кристални структури и понекогаш даваат резултати блиски до експерименталните. сл. 4. Електроди за одредување на вистинската (а) и средната (б) електрична цврстина на цврстите диелектрици. Димензии: D = 10, 20 и 50 mm; r = 0,2; 2; 2,5 mm; b = 25 mm. Според овие теории, енергијата на слободните електрони на проводливоста со порастот на полето се зголемува. Движејќи се во длабочината на диелектрикот, слободните електрони ја расејуваат својата енергија при взаимни дејства (судири) со молекулите во кристалната решетка. При некоја јачина на полето, насобраната енергија на електроните станува поголема од расејаната (оддадената) и настапуваат услови за пораст на енергијата на електронот и јонизација, т.е. на нови слободни електрони, заради нарушувањето на Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

118 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 117 структурата на кристалната решетка. Развитокот на пробивот има лавинско-стримерен карактер. Пробивот завршува со создавање на растопен канал во диелкектрикот. Во согласност со опишаниот механизам на пробивот, вистинската диелектрична цврстина на цврстите диелектрици, не зависи од времето на делување на напонот се до многу мали вредности на времето (t =10-7 s), и пробивниот напон расте со порастот на дебелината на диелектрикот и нешто опаѓа при повишени температури. При многу тенки слоеви (ред на микрони) би требало да се посматра битно зголемување на диелектичната цврстина. Сите овие предвидувања се потврдени во праксата. Во други еднакви услови, пробивниот напон кај цврстите диелектрици се намалува при зголемувањето на степенот на нехомогеноста на електричното поле. Во системот шилецплоча постои ефект на поларитетот. При негативен шилец, U pr е поголем за 20 до 30 проценти. Исто така, U pr може да се зголеми ако се користат фолии од многу цврсти диелектрици кои се наоѓаат вкопани во длабочината на основниот изолационен материјал близу до шилецот. Последниве два факти ја потврдуваат теоријата за лавинско-стримерниот карактер на електричниот пробив. Во праксата, цврстите диелектрици најчесто работат во нехомогено поле. Во такви услови тешко е целосно да се исклучи влијанието на надворешната средина и парцијалните празнења. Затоа, за споредба на материјалите, покрај поимот вистинска електрична цврстина, се користи и поимот средна електрична цврстина E sr која се јавува како карактеристика на материјалот при одредени, но поблиски до реалните технички услови. За експериментално одредубвање на E sr се користи систем на електроди како на сл. 4б. При непрекинато подигање на напонот, во почетокот се јавуваат празнења од работ на цилиндричната (горна) електерода во средината (медијумот) во кој е сместен испитуваниот примерок. (напр. воздух или течен диелектрик). Празнењето долж површината на цврстиот диелектрик кое се јавува, уште повеќе ја деформира сликата на полето и го олеснува пробивот на цврстиот материјал. Таа појава се нарекува рабен ефект. Влијанието на рабниот ефект во реалните конструкции и при припремањето на експериментите се намалува со избор на средина (медијум) со одредени електрични карактеристики ( ε r,σ, E pr ). Природна мерка за борба со рабниот ефект во практичните конструкции е зголемувањето на радијусот на кривината на електродата ( r на сл. 4б). Во силнонехомогените полиња, зголемувањето на пробивниот напон се јавува при долготрајност на импулсите од 10-5 до 10-6 s. Ако импулсите делуваат многукратно, пробивот на цврстиот диелектрик е можен при амплитуди на напонот U n помали одошто при еднократни делувања U 1, ( U n < U1 ). Целосниот пробив се развива заради последователното разрушување на одделни делови на диелектрикот. Таа појава се вика кумулативен ефект, а односот U n /U1 е коефициентот на кумулативноста 1. Коефициентот на кумулативноста кај цврстите диелектрици се движи во границите од 1 до 0,5. Кај некои диелектрици се смета дека одново се воспоставува цврстината, односно дека нема ваков ефект ( U n / U1 1). Тоа е карактеристично за некои стакла или компаундирана изолација на електричните машини. Но кај мнозинството изолациони конструкции и материјали, парцијалните нарушувања при 1 Zborot kumulativno zna~i po pat na natrupuvawe, ili akumulirawe Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

119 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 118 поедини делувања на импулсите се акумулираат, па важи U / U < n 1 1, и затоа при проектирањето на изолацијата се води сметка за кумулативниот ефект, а исто така и при нејзиното испитување, сл.5. Сл.5. Кумулативен ефект при импулсно испитување на цврстата изолација; 1-U n /U1 <1; 2- практично не постои кумулативен ефект; U n /U 1 1. При експерименталното одредување на кратковремената електрична цврстина U pr на цврстите изолациони конструкции, обично се јавува доста големо растурање на експерименталните резултати, што е пред се резултат на нехомогеноста на диелектрикот. Туѓите вклучоци ја нарушуваат структурата на материјалот и предизвикуваат локални засилувања на електричното поле, што го олеснува пробивот. Исто така, со зголемувањето на површината S или на волуменот на испитуваниот примерок од изолацијата, се наголемува веројатноста за појава на ослабени места. Затоа, средниот пробивен напон U pr а исто така и растурањето на пробивните напони σ се намалуваат со растењето на површината. Затоа, резултатите добиени за помали испитни примероци и макети не треба да се пренесуваат на изолациони конструкции со поголеми димензии. Но со помош на специјални методи на пресметка (базирани на теоријата на веројатноста), може приближно да се оцени U pr и σ на изолацијата, ако се познаваат резултатите на испитување добиени на мали обрасци и макети Некои видови цврста изолација Разни видови цврсти диелектрици и нивните основни својства веќе ги запознавме во курсот по Електротехнички материјали. Тука спаѓаат порцеланот, стаклото и другите керамики, органските цврсти диелектрици кои се делат на термопластични и термореактивни (термостабилни). Тие се нарекуваат уште и со името органски смоли. Од нив се добиваат лакови, импрегнациски компаунди, но исто така и разни фолии влакна и конци и ткаенини (од термопластичните смоли). Потоа, како цврсти диелектрици се и композитните материјали, кои се состојат од две компоненти, минерален или органски полнител (хартија, памук, стаклени влакна, ткаенини, кварцно брашно, азбест, алуминијум оксид и др.) како прва компонента, кои му даваат механичка цврстина, топлинска постојаност, и некоја смола, како втора компонента. Овде ќе се ограничиме само на описот на технологијата на изведба и оценка на кратковремената и долготрајната електрична цврстина на цврстата композитна изолација базирана на момирокот (лискун, на англиски mica, кој е природен минерал) која масовно се користи како изолација на високонапонската намотка на електричните вртливи машини за висок напон (генератори, мотори, за статорската намотка). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

120 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 119 Изолацијата врз основа на момирок се остварува со полнител од цепен лискун налепен на подлошка од хартија или стаклена ткаенина, со лепливи сврзивни средства. Така се добива една танка лента погодна за намотување околу бакарните проводници, наречена микалента. Бидејќи намотување на лента околу бакарен проводник како изолација неизоставно ќе резултира со појава на воздушни шуплини - процепи кои се непожелни од аспект на појава на парцијални празнења, се поставува прашање со што ќе се заполнат (импрегнираат) тие шуплини. По ова прашање имаме два вида на изолација. Постариот тип е т.н. компаундирана микалентова изолација каде микалентата се мота густо со преклоп над бакарните проводници, а меѓупросторите се исполнуваат (импрегнираат) со компаунд на база на асфалт (природан смола со органско потекло, позната и како битумен), при што процесот на изолирање опфаќа намотување на микалентата, импрегнирање пресување, сушење на повишена температура и со делување на вакуум. Процесот може да се одвива и на фази, додека се добие потребната дебелина на изолацијата. (Под поимот компаунд compound општо се разбира некоја смеса со диелектрични својства наменета за исполнување на шуплини - импрегнирање, која со загревање омекнува, а со ладење се стврднува). Така се добива еден слој - ѕид околу бакарниот проводник на намотката кој поседува доволна хомогеност, механичка и електрична цврстина. Недостаток на компаундираната изолација е нејзината термопластичност. т.е. размекнувањето кое настанува при повишени температури во погонот (100 до C), при нормална работа или во хавариски услови. При ова може компаундот делумно да истече и да останат шуплини во кои при натамошнбата работа ќе се јават силни парцијални празнења. Кратковремената електрична цврстина на компаундираната микалентова изолација е од 10 до 20 kv/mm и се карактеризира со доста големо статистичко растурање на диелектричната цврстина, σ (15-20%). Ваквата изолација спаѓа во класата B (130 0 ). Со текот на времето на експлоатацаија под работен напон и под влијание на други експлоатациони фактори (вибрации, куси врски, влага, загадување) електричната цврстина на оваа изолација постепено опаѓа. Но сепак, компаундираната микалентова изолација е доста отпорна на силни парцијални празнења ( q 10-9 C) и при работни јачини на полето кои изнесуваат(2-3) kv/mm. Таа има рок на служба од 10 до 30 години. Импулсната електрична цврстина на нова микалентова изолација е поголема од кратковремената цврстина при индустриска фреквенција за 1,5 до 2 пати, но со текот на времето поминато под експлоатација таа постепено опаѓа и може да се изедначи со второспомнатата ел. цврстина. Во поново време во поновите високонапонски електрични машини се применува понов и подобар вид изолација базирана на честички момирок, наречена термореактивна композитна изолација, во која полнител се ситни честички момирок, а врзивно средство се епоксидните смоли и лакови, кои не се термопластични, туку се термореактивни (на повишени температури тие не се размекнуваат). Тие се меки само во почетокот, пред да настапи првото стврднување - полимеризација. Ваквата изолација се карактеризира со повисока термичка класа F (155 0 C) има поголема механичка тврдост и диелектрична цврстина и е поотпорна при долготрајна експлоатација. Не се раслојува во процесот на работа и во неа помалку се создаваат шуплини во кои се развиваат парцијални празнења (односнио тие се со помал интензитет). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

121 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г ГАСНА И ВАКУУМСКА ИЗОЛАЦИЈА 10.1 Барања кои се поставуваат врз гасната изолација. Гасови кои се користат Гасовите како внатрешна изолација имаат некои очигледни предности во споредба со цврстата, течната или комбинираната изолација. Гасовите имаат многу мала проводливост и мали диелектрични загуби. Електричната цврстина на гасната изолација може да се зголеми со пораст на притисокот така што таа може да ја достигне диелектричната цврстина на трансформаторското масло и на обичните цврсти материјали (сл. 1). Освен тоа, гасната изолација практично не старее и има својство на самообновливост после пробивот. сл. 1. Зависност на пробивните напони на меѓурастојание во хомогено поле: 1- воздух, под притисок од 2,5 MPa; 2- SF 6 под притисок од 0,7 MPa; 3- висок вакуум; 4 - трансформаторско масло; 5 - порцелан; 6 - SF 6 при нормален атмосферски притисок; 7 - воздух при нормален атосферски притисок. Кон гасната изолација во зависност од специфичноста на примената, може да се наложат и дополнителни барања. Гасот или продуктите на неговото разложување не смеат да се токсични и хемиски активни, не смеат да имаат потенцијал да предизвикаат пожар или експлозија, треба да имаат добра топлинска проводливост и да имаат ниска температура на испарување (втечнување) и при повишени притисоци. За да се применуваат масовно, истовремено гасовите не треба да се скапи или дефицитарни. Најдостапен гас е воздухот. Сепак, неговата примена како внатрешна изолација не е секогаш оправдана. Електричната цврстина на воздухот при зголемувањето на притисокот расте, но сепак не во толкава мерка, за да изолационите конструкции имаат прифатливи габарити. Освен тоа, воздухот ако е подвргнат на коронско празнење, се разложува и создава хемиски активни оксиди на азотот, а кислородот од воздухот делува оксидационо врз цврстите материјали, предизвикувајќи нивно стареење или корозија. Постојат голем број гасови чија електрична цврстина во нормални услови и при зголемени притисоци е поголема од онаа на воздухот. Некои од нив се дадени во табелата 1. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

122 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 121 Но, мнозинството од електрично доволно цврстите гасови имаат и недостатоци кои ги искључуваат од примената за внатрешна изолација во електричните апарати. На пример, гасот SeF 6 е отровен, а некои други (не се спомнати во табелата 1) на собна температура се течности, или се втечнуваат на релативно мали надпритисоци. Некои пак, се разложуваат и ослободуваат слободен јагленород кој откако се наталожи на цврстата изолација, ја зголемува површинската проводливост. Табела 1: Релативна електрична цврстина и температура на вриење на некои гасови. Гас Релативна електрична Точка на цврстина E pr / E pr вриење при, voz нормален притисок Дихлордифлуорметан (Фреон) 2 2 2,4-2,5-28 Монохлортрифлуорметан CClF 3 1,4-81 Монохлорпентафлуоретан C 2ClF5 2,8-38 Хексафлуоретан C 2F6 1,5-1,8-78 Октафлуорпропан C 3F8 1,8-2,4-37 Сулфурен хексафлуорид SF 6 2,4-2,5-63 Селенов хексафлуорид SeF 6 4,5-49 Азот N ,8 Јагленов двеоксид CO 2 0,9-268,8 Истражувањата и искуствата од експлоатацијата со гасна изолација покажале дека гасот SF 6 (сулфурен хексафлуорид) најцелосно ги задоволува условите како гас за внатрешна изолација. Тој е 2,5 пати електрично поцврст од воздухот, хемиски е неутрален (не стапува во хемиски реакции), има добра топлинска спроводливост, многу добри својства при гаснење на електричен лак, тој е релативно лесно достапен и не е скап. Затоа, тој нашол широка примена во апаратите за висок напон и тоа: херметрички и со метал оклопени разводни постројки, прекинувачи, трансформатори, кабели, собирници и сл. Во многу случаи уште позгодна е примената и на гасни смеси, на пример N 2 + SF6 или N 2 + CO 2 под притисок, а исто така примена нашол и Фреонот CCl F, потоа и 2 2 C 3F8 и некои други јагленофлуориди. (Во последно време од аспект на заштита на животната средина, гасовите кои содржат хлор во својата молекула, веќе се под ограничување или забрана) Специфичности на гасот SF 6 како внатрешна изолација Сулфурниот хексафлуорид е електронегативен гас. Развитокот на празнењето во хомогено и слабонехомогено поле има лавино-стримерен карактер. Покрај процесот на судирна јонизација со електрони кој е карактеризиран со коефициентот на судирна јонизација α, во SF 6 доста изразен е и процесот на прилепување на слободните електрони кон неутралните молекули, кој се карактеризира со коефициентот η, а тој бројно е еднаков на бројот Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

123 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 122 електрони кои се прилепуваат на пат од еден сантиметар во смерот на полето изразено релативно во однос на првобитниот електроон. Овој процес битно го кочи развитокот на празнењето и е причина за релативно големата диелектрична цврстина на овој гас. Пресметките покажуваат дека кај сулфурниот хексафлуорид условот за самостојност на празнењето се исполнува ако: α η E α η = 0 или = f = 0. При ова за SF 6 се добива: p p p E p k = 8, kv/(cm.pa) (1) а соодветната вредност за воздухот е: E p k = 2, kv/(cm.pa). (2) На таков начин, за исполнување на условот за појава на самостојно празнење во сулфурен хексафлуорид, треба да се постигне околу три пати поголема јачина на полето одошто во воздухот. 5 Во практичните пресметки и во реалните конструкции на апарати ( ps > 0,5 10 cm.pa), може да се смета дека ( E / p) k = E pr / p, и пробивниот напон за меѓурастојание со хомогено поле во SF 6 да се оцени од: = 8,9 10 ps (3) U pr 4 За помали вредности на ps, зависноста f ( ps ) E pr p = за SF и воздух дадени се на сликата 2. 6 Обично заради влијането на локалното засилување на полето (нерамнини на површината, струготини од метална пилевина останати после монтажата и сл.), пробивната јачина на полето е помала одошто е одредено со равенката (2). E Сл. 2. Зависноста pr f ( ps ) p = за SF 6. (крива 1) и воздухот (крива 2). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

124 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 123 Сл. 3. Зависност на почетниот (1,2) и пробивниот (3,4) напон од притисокот кај SF 6 (1,3) и воздух (2,4). Меѓуелектродното растојание е позитивна сфера со дијаметар 1cm према плоча на растојание S =10 cm. Сл. 4. Зависност на напонот на пробив од притисокот во гас SF 6 при силно нехомогено поле. 1- напон со 50 Hz; 2- напон 1,2/50; 3- напон на почеток на короната при 50 Hz Пробив во гасови под притисок во нехомогено поле. Аномалија во зависноста U pr = f ( p) Во слабонехомогено поле кај воздухот, кај SF 6 и други гасови со висока електрична цврстина, важи законот за сличност. Но, со зголемувањето на степенот на нехомогеноста на електричното поле, се јавува и одстапување од тој закон. Затоа, многу е важно да се соберат експериментални податоци за пробивните напони за конкретните изолациони конструкции и услови. Особено силна аномалија и отстапување од монотоноста во зависноста U pr = f ( ps) настанува во силно нехомогено поле, при пораст на притисокот (сл.3). При позитивен поларитет на шилецот во системот шилец - плоча, при некој притисок p m се јавува максимум, а потоа при натамошен пораст на притисокот p - опаѓање на U pr до некоја минимална вредност при притисок p s, и потоа одново монотон пораст на U pr при повисоки притисоци. U pr = се објаснува со создавањето и влијанието на позитивниот просторен полнеж кај шилецот. На делот од кривата до p m, пробивниот напон расте со растењето на p при стабилизирачко делување на короната чиј почетен напон на настанување е многу помал од напонот на пробивот. При ова, позитивниот просторен полнеж кој настанува околу шилецот при коронирањето, како да го зголемува радијусот на кривината на шилецот, и на тој начин делува на создавање на похомогено поле и отежнување на пробивот. Со растењето на притисокот, фотојонизацијата се засилува и се образуваат Ваквата форма на зависноста f ( p) Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

125 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 124 лавини и во волуменот на гасот При p > pm, позитивниот просторен полнеж околу шилецот почнува делумно да се неутрализира за сметка на електронските лавини кои се образуваат во длабочината на меѓурастојанието, се формира стример и напонот на пробив се намалува и се доближува до почетниот напон на појава на короната. При притисоци p s и поголеми, настанува целосна неутрализација на просторниот товар, и се изедначува напонот на почетокот на короната со пробивниот напон. Ако приложениот напон е наизменичен со индустриска фреквенција, пробивот настанува при позитивната полупериода на поларитет на шилецот, и исто таква аномалија се јавува и при наизменичен напон. При делување на импулси 1,2/50 оваа аномалија се јавува многу помалку изразено во споредба со еднонасочен и наизменичен напон, бидејќи за образување и неутрализација на просторните товари треба време (сл. 4). При негативен поларитет на шилецот, зависноста f ( p) U pr = е монотона и аномалија не се јавува. Присуството на опишаните аномалии бара внимателност при изборот на работниот притисок на гасот во апаратите. Освен тоа, многу важно е да се отстранат локалните нехомогености на полето (со примена на екрани, заоблување на електродите, отстранување на остри рабови и сл.). На тој начин се зголемува пробивниот напон, например импулсниот, кој најчесто и се јавува како пресуден во одредувањето на димензиите на гасните меѓурастојанија, но исто така се отежнува или елиминира короната, која може да доведе до образување на хемиски активни продукти на разлагањето на гасот и создавање на пониски флуориди (при корона во SF 6 ) кои деструктивно делуваат врз цврстата изолација. Битно зголемување на цврстината на меѓурастојанијата во слабо-нехомогено поле може да се постигне и со препокривање на електродите со тенок слој на цврст диелектрик Празнење (пробив) долж површината на цврст диелектрик во компримирани гасови Проводните делови кои се наоѓаат под висок напон и се дел од конструкции изолирани со гасна изолација, се придржуваат со помошта на цврсти изолациони елементи. Цврстите елементи имаат исто така улога и како дел на механизми во апарати изолирани со гас. Граничните површини цврст диелектрик-гас, по правило, се слабите места во конструкцијата со гасна изолација. Појавите кои ги опишавме при проучувањето на површинските празнења во воздухот по површината на цврст диелектрик, важат и овде, кај компримираните гасови како внатрешна изолација. Разликата се состои во фактот што процесот на прескок во компримиран SF 6 е многу чувствителен на деформација на полето и појавата на површината на цврстата изолација и на најмали количини на загадување и влага. Локалните засилувања на ел. поле заради метални струготини, честички, мрсни флеки на површината на изолаторот кои останале после монтажата, остаточната влага во гасот, несоодветна поставеност на изолаторите или недоволно интимно нелегнување на цврстиот диелектрик кон електродите - сето тоа предизвикува локално, често пати силно намалување на прескочниот напон. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

126 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 125 Примери на вакви цврсти изолатори во коаксијална конструкција на електроди изолирани со гас под притисок, дадени се на сл. 5. Сл. 5. Изолатори при коаксијални проводници изолирани со гас под притисок: 1-проводник (собирница); 2-внатрешен екран; 3,,5,6, изолатори со столбеста, дисковидна и конусна форма; 4- надворешен заземјен екран (електрода) кој е херметизиран (затворен). Тие изолатори се направени од епоксидна смола и содржат минерални исполнители (Алуминиев оксид, кварц). Во длабочината на диелектрикот можно е да се вметнати и кондензатроски облоги или внатрешни екрани, за регулирање на полето. Полето може да се регулира и со изборот на формата на изолаторот, со конструкцијата на ребрата, и со примена на покривки. Пробивните напони во нехомогено поле и прескочните напони во гасната изолација не можат да се пресметаат, а изборот на растојанијата се вршат на основа на експерименти за конкретните конструкции и услови. Во хомогено поле прескочниот напон U p долж диелектрикот во SF 6 може да се оцени (со грешка до 15%) според емпириска 4 формула: U p ,67 10 ph [kv] (4) (за 1 < h < 5), каде p е притисокот, Pa, а h е висината на цилиндерот во cm Вакуум како внатрешна изолација Во последно време вакуумската изолација е се поактуелна. Високиот вакуум ( p 10 3 Pa) има доста висока диелектрична цврстина (види крива 3 на сл. 1), ниска топлинска проводливост и претставува гасителна средина за електричниот лак. Затоа, вакуумската изолација одамна но и денес се помасовно се користи во прекинувачи, разни вакуумски уреди, а има перспектива и за криогени и суперпроводливи кабли. Вакуумот исто така масовно се користи електрофизички уреди, на пример, во забрзувачи на елементарни честички Постојат низа теории за електричниот пробив во вакуум. Сите тие процесот на пробивање го поврзуваат со појавата на автоелектронска емисија од површината на електродите, која е олеснета од микроскопските нерамини и присуството на загадување на површината на електродите. Пробивот настанува кога настане лавинообразен пораст на размената на електрони и јони меѓу електродите заради секундарната емисија. При тоа е можно локално греење на електродите проследено со ослободување на гас или пареа. Вакуумскиот карактер на пробивот постои ако средната должина на слободниот пат на електроните е поголема од меѓуелектродното растојание. Тогаш процесот на јонизација во Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

127 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 126 обемот не игра битна улога, а развитокот на празнењето е определен од процесите на површината на електродите. Тоа барање се исполнува веќе при ps 10 2 Pa.cm (Почетниот, U pr = f ps ). Цврстината на вакуумската изолација во лев дел на Пашеновата зависност ( ) 6 тенки слоеви е многу голема ( на пример, до 10 V/cm при S 10 3 cm) но брзо опаѓа при 4 поголеми меѓуелектродни растојанија ( 10 V/cm при S 10cm), сл. 6. Сл. 6. Зависност на пробивниот напон (крива 1) и пробивната јачина на полето (крива 2) за висок вакуум од растојанието на електродите во хомогено поле (усреднети експериментални криви). Сл. 7. Зависност на пробивниот напон од остаточниот притисок на гасот при разни растојанија меѓу електродите. S =20 cm, крива 1; S =5cm, крива 2. Вакуумски прекинувач за среден напон ABB Вакуумски прекинувач за среден напон, ABB, шематски приказ Пробивниот напон зависи од степенот на полираноста (глаткоста) на површините на електродите, од формата на електричното поле и од видот на напоните кои дејствуваат. Вредноста на пробивниот напон U за полирани електроди е многу поголема одошто за pr Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

128 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г. 127 необработени; дури и незначителни количества на загадувачи многу го намалуваат пробивниот напон. При поголеми меѓуелектродни растојанија постои зависност на напонот на пробив од притисокот. На пример, U pr при p <10-3 Pa е константен - независен од притисокот, но при поголеми притисоци тој доста пораснува, за да нагло опадне при 2 притисоци p > 5 10 Pa (сл. 7). Конструкцијата со вакуумска изолација не може да се оствари без примена на дистантни изолациони елементи - изолатори. Но самото воведување на цврста изолација меѓу електродите нагло ја намалува диелектричната цврстина на системот. Во овој случај пробивниот (прекочниот) напон многу повеќе зависи од материјалот од кој е направен изолаторот, неговите димензии, формата, карактерот на загадувањето одошто е тоа кај гасната изолација. Исто така се јавува и видлива зависност на пробивниот напон од времето на делувањето на напонот (т.н. стареење на системот). Сето тоа бара внимателно истражување и добро утврдени конкретни решенија при конструкцијата и експлоатацијата на изолацијата со вакуум. Има малку конкретни податоци во литературата (технолошка тајна?). Прашања 1. Кои се општите својства на цврстите диелектрици кои се важни при нивната употреба како цврста изолација (механички, топлотни и др. својства). 2. Кои се најважните електрични својства на цврстите диелектрици при нивната употреба како цврста изолација (проводливост, загуби, коеф. на рел. диел. пропусливост, зависност на овие параметри од температурата). 3. Опиши го пробивот во цврстите диелектрици и условите при кои тој може да настане како и последиците. 4. Топлотен пробив, дефиниција, механизам на настанување, зависност од температурата. 5. На кој начин се спречува топлотниот пробив? 6. Како се манифестира топлотниот пробив при импулсни напони? 7. Што е тоа вистинска (intrinsic електрична цврстина на цврстите диел. материјали и при кои услови таа се манифестира? 8. Како влијае степенот на нехомогеност на ел. поле и долготрајноста на напонот врз вистинската ел. цврстина? 9. Што е тоа кумулативен ефект при одредувањето на ел. цврстина на цврстите диел. материјали? Какви се статистичките својства на ел. пробив кај цврстите диел. материјали? 10. Опиши ја компаундираната микалентова изолација кај електричните машини за висок напон. 11. Опиши ја композитната изолација на ел. машини за висок напон. Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

129 ФЕИТ: Техника на висок напон 1, предавања 2012г Кои се општите својства кои ги прават гасовите добри диелектрици за внатрешна изолација? Кои дополнителни услови треба да ги задоволуваат гасовите со цел да бидат погодни за внатрешна изолација? 13. Наведи ги најчесто употребувани гасови за внатрешна изолација и нивните својства. 14. Кои битни својства го прават гасот SF6 погоден за високонапонска изолација? 15. Зошто се користат гасни мешавини како внатрешна изолација. Наведи примери. 16. Што им е заедничко на гасовите SF6 и воздух во нивната примена како внатрешна изолација? Колку изнесува почетната јачина на ел. поле (во хомогено поле) за SF6 и воздух изразено во kv/cm при нормален атмосферски притисок? (рав. 1, 2 и 3) 17. Како изгледа зависноста f ( p) U pr = кај гасовитите диелектрици и како се толкува истата? 18. Која е примената на цврсти изолациони конструкции во апарати изолирани со гасови? Какво е нивното влијание врз прескочниот напон и на кои детали треба да се внимава при нивната употреба? 19. Кои се својствата на вакуумот како внатрешна изолација? Колкав вакуум се користи, колкава диел. цврстина се постига и од кои влијателни величини таа зависи? 20. Како се толкува пробивот во висок вакуум? Каде се користи висок вакуум како внатрешна изолација? Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

130 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г СТАРЕЕЊЕ НА ВНАТРЕШНАТА ИЗОЛАЦИЈА И ИЗБОР НА ДОЗВОЛЕНИ ВЕЛИЧИНИ НА РАБОТНИТЕ И ИСПИТНИТЕ НАПОНИ Општо за стареењето на изолацијата Под дејство на електричното поле, зголемената температура и механичките влијанија од надворешната средина, со тек на времето, изолацијата постепено старее. Стареењето може да се манифестира како хемиски промени во изолацијата, појава на локални дефекти како пукнатини, шуплини, локално или општо навлажнување, загадување, собирање на меурчиња гас и друго. При тоа се влошуваат електричните и механичките својства на изолацијата и во случај на неблагопријатни услови (пренапони, куси врски), таа може да биде пробиена или разорена Парцијални празнења Промената на својствата на изолацијата под дејството на парцијалните празнења се вика електрично стареење. Парцијалните празнења претставуваат локални пробиви на ослабени делови на изолацијата, а тоа се гасни шуплини (меурчиња, микропроцепи) во длабочината на диелектрикот или, пак, локални празнења во местата со зајакнато електрично поле (на пример на остри рабови на електродите). Гасните шуплини во внатрешноста на цврстата изолација може да настанат при нејзиното стврднување при изработката или поради растресување во самиот погон (на пример заради вибрации кај електричните машини). Гасни шуплини има и до самите електроди при нецелосен допир со цврстиот диелектрик. Сега сета површина на цврстиот диелектрик во шуплината е изложена на негативни последици од парцијалните празнења. Иако едно парцијално празнење ослободува многу мала енергија, сепак, поради долготрајното повторување на појавата, парцијалните празнења може да доведат до разрушување на изолацијата. Брзината на разрушувањето зависи, пак, од тоа колку често се повторуваат парцијалните празнења и каква енергија се ослободува при секое од нив. На сл. 5.2 е дадена шемата на диелектрик во кој е присутна гасна шуплина. Тука со C c е прикажан капацитетот на гасната шуплина, со C b капацитетот на делот од диелектрикот кој може да се замисли сериски вклучен со гасната шуплина, а со C a е означен капацитетот на диелектрикот надвор C a C b A од оној дел (столб) C b во кој припаѓа гасната шуплина. C a R IS Со IS е претставено едно искриш- U 0 C c те кое го имитира C c U p пробивот на гасната шуплина, а со B R - отпорот на каналот на празне- a) b) Сл Шема на диелектрик со гасна шуплина (а) и еквивалентна шема (б) њето со кој се моделира Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

131 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 130 ослободувањето на енергијата на парцијалното празнење. Ако на целата изолација е приклучен синусоидален напон: u = U 0 sinω t, (5.1) тогаш на самото гасно меурче (капацитетот C c ) владее помал напон, а имено: C u U b c = 0 sinωt, (5.2) Cb + Cc Сл Тек на напонот на гасната шуплина при непостоење (1) и постоење (2) на парцијално празнење каде што капацитетите C c и C b претставуваат еден капацитивен делител. Ова е претставено на сл Во моментот t 1 напонот на гасната шуплина достига вредност u pr што е доволно за настанување на празнење. Сега капацитетот C c ќе биде премостен со отпор R и напонот на него скоковито ќе опадне и тој ќе се испразни, но не до нула и не сосема, туку до некој напон на гаснење u g. Процесот на празнењето е многу брз, практично моментален. При напон u g празнењето престанува гасне. Бидејќи сега напонот на изворот продолжува да расте, и напонот u c ќе продолжи да расте (крива 2 на сл. 5.3) и во моментот т 2 пак ќе ја достигне вредноста u pr, па ќе настане второ парцијално празнење. Парцијалните празнења ќе се јавуваат се дотогаш додека напонот на изворот не почне да се намалува после максимумот. Потоа ќе се јават парцијални празнења во следниот полупериод на применетиот напон. Односот на напоните ug / upr = η изнесува 0,5 0,8. Истовремено, на напоните u pr и u g се пропорционални и напоните U pp и U g кои владеат на целата изолација (и кои за нас се поинтересни, бидејќи може да се мерат). Затоа важи: U u C C C C U b + c g g U u b + c g = ;... pp = pr ;...η =. (5.3) Cb Cb U pp а) б) Сл Процес на создавање парцијални празнења при дејството на еднонасочен напон врз изолацијата: а) еквивалентна шема на диелектрик со гасна шуплина, б) промена на напонот на гасната шуплина Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

132 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 131 Ако една изолација е подложена на висок еднонасочен напон и ако тој има доволна висина, и тука е можно да се појават парцијални празнења. Овој процес е илустриран на сликата 5.4 а и б. При еднонасочен напон, распределбата на напонот на диелектрикот, а исто така и процесот на полнење и празнење на капацитетот на гасната шуплина, се одредени не само со износот на капацитетите, туку и со износот на отпорите на одведувањето на диелектрикот R b и шуплината R c. Ако врз диелектрикот дејствува еднонасочен напон U o, напонот, кој би се воспоставил на гасната шуплина, би бил: R uc = U c 0. (5.4) Rb + Rc Ако во моментот t = 0 нагло се приклучи еден таков напон, што би се добил напон u c поголем од напонот на парцијалното празнење u pr, веднаш ќе настане првото парцијално празнење. Отпорот на каналот на парцијалното празнење R е мал, па затоа напонот на капацитетот C c практично моментално спаѓа до u g, и парцијалното празнење ќе угасне. После тоа капацитетот C c пак ќе се оптоварува во согласност со изразот: каде што u () t = u ( u u ) e c c c g t T, RR T = b c ( R R C b + C c). (5.5) + b c Кога напонот на гасната шуплина u c ќе достигне вредност u pr, ќе настане второ парцијално празнење итн. Подетаљните приближни анализи покажуваат дека при исти услови (применет напон) бројот на парцијални празнења n pp, кој е важна величина за дефинирање на појавата на парцијалните празнења и претставува број на парцијални празнења во една секунда, при наизменичен напон е пати поголем одошто при еднонасочен напон. Според тоа, и разрушувачкиот ефект при еднонасочен напон е многу помал одошто при наизменичен. Затоа кај изолацијата наменета за работа при еднонасочен напон може да се дозволат повисоки работни јачини на електричното поле и дебелината на изолацијата може да биде многу помала одошто при наизменичен напон. Од интерес се и други величини сврзани со појавата на парцијалните празнења. Енергијата на едно парцијално празнење ја оценуваме врз основа на разликата на енергијата во капацитетот C c, пред и по настанувањето на парцијалното празнење: Wpp = Cc ( upr ug ). (5.6) 2 На пример, за гасна шуплина со димензии S = 1 mm 2 и дебелина d = 1 мм, u pr = 500 V и u g = 0 V, се добива W pp = 10 9 Ј. Средната моќност на парцијалните празнења е: Ppp = nppwpp. (5.7) За една ваква шуплина, при вообичаени услови, приближно е (при n pp = 800 s -1 ) 6 Ppp = 10 W = 1μ W. Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

133 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 132 Поради многу малата енергија и моќност, за детекција и мерење на парцијалните празнења се применуваат специјални постапки. Друга важна карактеристика на појавата парцијални празнења е товарот на парцијалното празнење. При едно парцијално празнење во гасната шуплина се неутрализира електричен товар во износ: q = C u u = Δ u C. (5.8) ( ) c c pr g c c Овој товар е недостапен за директно набљудување и мерење. Но, при појава на парцијално празнење во шуплината, во целото еквивалентно коло (сл. 5.2б) настанува еден преоден процес при кој и напонот на изводите од целата изолација скоковито паѓа за некој напон Δ u. На овој напонски скок му одговара одредена промена на оптоварувањето на целата изолација во износ: qpp = ΔuCx Δ uca, (5.9) каде што C x е вкупниот капацитет на целата изолација (апарат), а Δ u може да се набљудува на изводите од таа изолација. Величината q pp се вика привиден товар и таа е достапна за мерење и може да се добие ако се знаат Δ u и C x. Величината q pp зависи и од димензиите на гасната шуплина и се движи од до 10-6 C. Привидниот товар е пропорционален на енергијата на парцијалното празнење W pp, и затоа, како мерка за интензитет на парцијалните празнења и се користи токму оваа величина привидниот товар. Може да се покаже дека важи: q pp Cb = qc ; и W pp = 0,5q ppu pp (1 + η) (5.10) C + C b c каде што U pp, е напон на целата изолација при појавата на парцијално празнење. Гледаме дека q pp и W pp се пропорционални. Од (5.10) гледаме дека q pp е помал од q c. Ако U pp го изразиме во ефективни вредности (U ppef ) и ако усвоиме η = 0, за оценка на W pp се добива: W pp q = pp U ppeff 2. (5.11) Се уште не е најдена зависност меѓу животната доба на изолацијата и интензитетот на парцијалните празнења, но важи правилото дека колку парцијалните празнења се поинтензивни, толку животната доба е помала. Во практиката, приближно се знаат (или пропишуваат) износите на привидниот товар q pp во одредени типови на изолациони конструкции кои може да се очекуваат, па после мерењето на карактеристиките на парцијалните празнења, може да се суди за состојбата на изолацијата. Овде има голема потреба од практично искуство и експертско знаење. За да сае олесни овој проблем, денес покрај модерни мерни инструменти, се нудат и компјутерски програми со експертско знаење за да се олесни толкувањето на мерните резултати. Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

134 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г Стареење на внатрешната изолација - зависност од влијателни фактори Процесот на стареење на изолацијата особено брзо тече на високи температури. Постои едно правило кое се покажало како доста точно: при зголемување на температурата за 8-12 степени, животниот век на служба на изолацијата двојно се намалува. Тоа правило добро се согласува со познатиот закон на Аренијус, според кој брзината на хемиските реакции k зависи од тепературата T според: W = a k k0 exp (1) RT каде W a е енергијата на активација, R е универзалната гасна константа. Ако претпоставиме дека рокот на служба τ на изолацијата е обратно пропорционален на k, од (1) се добива: B τ = Aexp (2) T каде A и B се константи. Ако се искористи (2), може да се покаже дека во широк интервал на температури важи: T0 T 2 ΔT T0 τ T = τ (2а) каде: τ T е рокот на служба на изолацијата при температура T ; τ T 0 е познатиот рок на служба на изолацијата при некоја нормирана температура T 0 ; ΔT 10 - е величина која е константна за даден тип на изолација и бројно е еднаква на прирастот на температура при која рокот на служба на изолацијата се скратува двојно. Топлотното стареење кај основните видови органска изолација се манифестира пред се во намалувањето на механичката цврстина на хартијата. Хартијата, картонот, полимерните фолии и делови ја губат еластичноста, стануваат крти, иако кратковремената електрична цврстина при тоа битно не се намалува. Но, кртата изолација не издржува механички напрегања, вибрации и се рони или пука, што во конечна мерка доведува до пробив. На топлотното стареење му помага и навлажнувањето. Влагата ја зголемува проводливоста и tg δ, а ја намалува електричната цврстина и напонот на појавата на парцијалните празнења. Процесите на стареење при тоа нагло се забрзуваат. Затоа, правилното топлотно димензионирање (пресметка) на изолационите конструкции и не дозволувањето на долготрајните прегревања и навлажнувања во процесот на работата тоа се неопходните услови за долготрајна и сигурна работа на изолацијата. Стареењето на изолацијата не треба да се сфати како процес на кој не може да се делува. Со добар избор на материјали, дозволени работни јачини на полето, начинот на ладење, заштита од неповолни влијанија на надворешната средина, може да се сузбие недозволеното брзо стареење на цврстите изолациони конструкции. За масло-бариерната изолација, која особено е подложна на стареење, потребно е покрај другото, во процесот на експлоатација систематски да се следи состојбата на маслото и неговата состојба да се одржува на ниво пропишани со норми и препораки. Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

135 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 134 Маслото во процесот на експлоатацијата оксидира и се разлага, при што се одделува вода, цврсти нерастворливи талози (шљам) и киселини кои се растворливи во вода. Понекогаш за процесот на оксидирање се употребува терминот закиселување. Реакциите на оксидирање се особено интензивни при повишени температури, при постоење контакт со воздухот. Каталитички дејства (забрзување на хемиските реракции) при ова покажува присуството на металите бакар, олово и железо. Електричните карактеристики на остареното и закиселено масло многу се намалени. За да се зголеми стабилноста на свежото масло, се користи додавање на антиоксидантни додатоци кои го сврзуваат кислородот и битно ја намалуваат брзината на оксидирачкиот процес. Таквите додатоци се нарекувасат инхибитори или антиоксиданти. Закиселувањето на маслото кај трансформаторот кој е во погон може да се успори ако се применат специјални филтри и постапки за континуирана регенерација. Маслото бавно (низ еден бајпас) циркулира низ слој апсорпционо средство (напр. силикагел, SiO 2 или други материјали, т.н. цеолити) кои го очистуваат не само од механичките примеси и водата, туку и од хемиските продукти на оксидацијата и распаѓањето на молекулите. Оксидацијата се успорува ако се спречи допирот на маслото со кислородот од воздухот (херметизирање), при што се користат специјални дилатациони системи исполнети со азот (систем на азотна заштита) и влошки од апсорпционо средство во цевката за контакт со атмосферата кои ги впиваат влагата и агресивните примеси од воздухот. Чистење на поголеми количини на масло од механички примеси и вода се врши со поголеми машини центрифуги или филтерски машини кои служат за припрема и обработка на изолационо масло. Најправилно име на овие машини е машини за припрема на масло. Во нив се врши и сушење (обезвлажнување) и дегазирање на маслото, бидејќи тоа се грее и распрснува во комори со вакуум. Тие работат при исклучени од погон трансформатори. Стареењето на масло-хартиената изолација кај херметизираните апарати какви што се напр. кондензаторите, во прв ред се определува од јонизационите процеси (парцијалните празнења). Долготрајното присуство на почетните працијални празнења доведува до разложување на маслото и целулозата и одделување на гасови. Гасовите одма се раствораат во дегазираното масло. Ако количината на одделените гасови V g го надмине количеството V gn (максималното количествио гас кој може да се раствори во маслото при дадени услови), ќе настане заситување, и понатамошното одвојување на гас ќе создава меурчиња и празнини. Парцијалните празнења ќе го зголемат својот интензитет - ќе станат критични, што брзо ќе доведе до пробив. Времето на овој процес на стареење може да се оцени од равенството: Vgn τ = (3) γppp, poc каде 3 3 γ 10 [ cm / J ] е единична стапка на генерирање на гасови при разлагањето на маслото, нормирано врз единица енергија од почетните парцијални празнења; P, е моќноста на почетните парцијални празнења која се одредува од равенката pp poc P = m pp, poc BU, за m =5-8, а U е напонот. Од равенката (3) следува дека при изработката на кондензаторот треба внимателно да се импрегнира со дегазирано масло, и при тоа треба да се избере такво масло, кое не е Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

136 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 135 склоно кон одделување на гас при парцијаните празнења (масло кое содржи поголемо количество на ароматизирани јагленоводороди). Кај нехерметизираните апарати со масло-хартиена изолација настанува процес на навлажнување и оксидација на импрегнациското средство и хартијата, кои исто како и кај масло-бариерната изолација ги снижуваат електричните својства на изолацијата и нејзиниот рок на служба. Ако напонот е еднонасочен, парцијалните празнења и генерираната топлина во изолацијата настануваат во помал интензитет, но сепак и овде изолацијата старее и тоа пред се заради процесите на електролиза. Електролизата доведува до хемиски измени во диелектрикот, при што се зголемува проводливоста и постепено се снижува пробивниот напон. Примесите, особено јоните (на водата, киселините) доведуваат до хемиско стареење и при еднонасочен напон Влијание на процесот на стареење врз електричната цврстина, Обопштена волт-секундна карактеристика Процесот на стареење на изолацијата влијае на нејзината електрична цврстина при долготрајно и краткотрајно делување на напонот. При долготрајно делување на напонот, зависноста t pr = f ( U ) се добива при непрекината држење под напон и при зададени услови на експериментот, се до моментот на пробивот t pr. Сл. 1 Изглед на зависноста на рокот на служба на изолацијата од величината на напонот кој делува (а) и експерименталните резултати (б) за кондензаторска изолација при еднонасочен (1) и наизменичен напон (2) Бидејќи интензитетот на стареењето зависи од величината на напонот кој дејствува, кривата U = f ( τ ) нацртана според точките за разни вредности на U и средните вредности на τ pr = τ, ќе има изглед како на сликата 1. Таа крива понекогаш се нарекува крива на животот и претставува зависност напон - време и со неа се одредува рокот на служба на изолацијата τ при трајно делување на зададениот напон. Експерименталното одредување на кривата на животот е многу макотрпно. Затоа, оценката на зависноста τ = f ( U ) или τ = f ( E) за реалните изолациони конструкции често се обавува според формули добиени како резултат на забрзани долготрајни испитувања на модели на изолацијата. Општоприфатена и добро потврдена во праксата за сите видови на внатрешна изолација е емпириската формула за крива на живот : τ = ae n ; lgτ = lg a nlg E (4) Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

137 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 136 каде a, n се коефициенти кои зависат од типот на изолацијата, а исто така и од формата и величината на напонот кој делува. Формулата (4) може да се добие и на пресметковен начин, ако се смета дека разрушувањето на изолацијата настанува под дејство на парцијални празнења. За масло-хартиена изолација е n = 5 8 при наизменичен напон и n = при еднонасочен напон. Ова се експериментално одредени вредности (види сл. 1б) и добро се m согласуваат со равенките за P pp, poc ( P pp, poc = BU, при m = 5 8) и равенката (3), кои се одредени соодветно на моќноста на почетните парцијални празнења и времето на дејствувањето на истите се до појавата на меури и шуплиини во изолацијата. При поголем дијапазон на промени на E, еден механизам на разрушување може да премина во друг. (например, почетните парцијални поразнења да преминат во критични) и при тоа константите a и n во формулата (4) се менуваат, и кривата на животот претрпува накршување. Сл. 2. Зависност на кратковремената ел. цврстина од претходното делување на напонот U : 1,2,3 - одговараат за U 1 < U 2 < U 3 ; t sl - среден рок на служба на изолацијата. Влијанието на процесот на стареењето врз величината на кратковремената електрична цврстина е помалку приметливо. Тоа се гледа од сликата 2. Гледаме дека и при доста големи напони на претходното делување, кратковремената цврстина се менува незначително, а потоа нагло опаѓа до недозволено ниски вредности. Затоа, кратковремената цврстина е несигурен параметар за оценка на степенот на остареност на изолацијата. Заедно со тоа, и способноста на изолацијата да се спротивстави на пренапоните се зачувува скоро во целиот рок на служба при работен напон. Но, да забележиме и тоа, дека сите посматрани процеси и величини се подчинуваат на статистичките закони и постои доста големо растурање на вредностите. На таков начин, во цврстата комбинирана изолација можни се разни форми на пробив. во зависност од времето на делување на напонот. Сл. 3: Квалитативен изглед на волт-секундната карактеристика на масло-хартиена изолација. Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

138 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 137 На сликата 3 прикажан е квалитативниот изглед на волсекундната карактеристика на масло-хартиена изолација. При мали времиња, соодветни на импулсните пренапони (област I) и краткотрајни комутациони пренапони (област II), се развива електрична форма на пробивот. При времиња од 10-1 до 10 6 секунди, во кое време може да се сметаат внатрешните пренапони и испитните напони, пробивот има јонизационен карактер при интензивни (критични) парцијални празнења (област III) или топлотен пробив (област IV). Во областа V, постепеното снижување на електричната цврстина е заради бавните процеси на стареење на изолацијата, или заради слабите почетни парцијални празнења, или пак под дејство на температурата, оксидацијата на маслото и сл. Слични V-S карактеристики имаат и другите видови цврста и комбинирана изолација Избор на дозволени работни и испитни јачини на полето Изборот на дозволените јачини на полето во изолацијата при работен напон е одговорна и сложена задача. Претераната резерва (дебелина) на изолацијата доведува до неоправдано трошење на материјал, поскапување и големи габарити (димензии) на машините и апаратите. Недозволено високите работни јачини на ел. поле пак, од друга страна, ја намалуваат сигурноста и рокот на служба на изолацијата. Задачата се решава преку долготрајно и повеќефакторно истражување на макети или реални конструкции со последователна проверка во експлоатацијата. Во повеќето видови цврста и комбинирана изолација, работната јачина на полето E rab, doz се применува таква, при која интензивноста или моќноста на почетните парцијални празнења се во износ на дозволените при прифатрлив рок на служба, т.е. E rab, doz E ppr, poc, doz. Ако се има предвид дека E ppr. poc има статистичко растурање на својот износ, ќе се усвои E rab, doz E ppr, poc 3σ, каде σ е средноквадратното отклонување на јачината на полето при кое настануваат почетните працијални празнења со зададена интензивност. На пример, за масло-хартиена изолација, дозволената работна јачина на полето може да се одреди од изразот (3), ако се смета дека во таа формула τ е еднакво на рокот на служба на изолацијата, т.е. τ = τ (15-30 години): E 1 V m g, n rab, doz B = γ τ sl sl Но, за жал, во формулата (5) коефициентите γ, B и m мора да се најдат експериментално, што го прави методот тежок за примена. Конкретните величини на E rab, doz многу зависат од видот на изолацијата и технологијата на нејзиното приготвување. Способноста на изолацијата да ги поднесе пренапоните, т.е. нејзината кратковремена цврстина, ги определува дозволените испитни напони U isp. При испитните напони, во изолацијата не треба да да настане пробив или неповратни промени кои би се развиле во пробив при последователно долготрајно дејствување на работниот напон. Затоа, при изборот на U обично се раководиме од следните односи: isp U isp < U pr ; U isp < U kr U isp > U pren (6) каде U isp - е испитниот напон (импулсен или со индустриска фреквенција); (5) Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

139 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г. 138 U pr, U kr - се соодветните напони на пробивот или критичните парцијални празнења; U - е амплитудата на возожните импулсни или внатрешни пренапони. pren Од условот (6) и водејќи сметка за статистичкото растурање на вредностите U pr и U kr, може да се најдат дозволените јачини на полето во изолацијата при импулсни испитувања: E isp,i E pr,i 3σ pr, или, при едноминутни испитувања со индустриска фреквенција: E E kr σ. isp,50hz 3 kr Одредувањето на E pr, i па и на E kr за големи апарати е крајно тешка работа, и величината на E isp во таков случај се наоѓа според минималните вредности на E pr и E kr на поедини примероци користејќи одредедени коефициенти на резерва. Величините на испитните напони за различни видови изолациони конструкции дадени се во табели на соодветните прописи. На сликата 3 е покажано исто така дека износите U isp, i, Uisp, 50 Hz и U rab, doz треба да се наоѓаат соодветно под U pr, i, U kr, и U ppr, poc. Прашања 1. Дефинирај што се тоа парцијални празнења. Каде истите може да настанат и при кои услови. Кои се последиците од постоењето на парцијалните празнења во внатрешната изолација? 2. Нацртај шематска претстава на цврст диелектрик со една воздушна шуплина во која може да настане парцијално празнење. Прикажи ја еквивалентната електрична шема на таа изолација со соодветно моделирање на шуплината, процесот на празнење и останатите делови на изолацијата, употребувајќи вообичаени ознаки. Опиши го со зборови процесот на настанувањето на парцијалното празнење. Напонот на изолацијата е наизменичен. 3. Нацртај шематска претстава на цврст диелектрик со една воздушна шуплина во која може да настане парцијално празнење. Прикажи ја еквивалентната електрична шема на таа изолација со соодветно моделирање на шуплината, процесот на празнење и останатите делови на изолацијата, употребувајќи вообичаени ознаки. Опиши го со зборови процесот на настанувањето на парцијалното празнење. Напонот на изолацијата е еднонасочен. 4. Ако е дадена вообичаената еквивалентан шема на диелектрик со воздушна шуплина во која настанува парцијално празнење и ако диелектрикот е подвргнат на наизменичен напон: u = U o sinω t, каков е напонот на шуплината? Во дијаграм u t нацртај го зависноста на напонот на шуплината u c кога постојат и кога не постоајт парцијални празнења. 5. Во што е разликата меѓу вистинскиот товар на едно парцијално празнење и т.н. привиден товар? Како се дефинира секој од овие товари? Кој е поголем? 6. При појава на парцијални празнења во изолацијата се дефинираат следните величини: Енергија на едно парцијално празнење, W ; Средна моќност на парцијалните празнења pp P pp. Товарот на парцијалното празнење кое се неутрализира во гасната шуплина q c ; Напиши го изразите за овие величини користејќи ги вообичаените ознаки за капацитетот на гасната шуплина C c, напонот на палењето u pr и гасење u g. Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

140 ФЕИТ: Техника на висок напон -1, предавања 2012г Како се дефинира поимот на стареење на изолацијата и каква е врската на тој поим со хемијата. Што е тоа рок на служба на изолацијата. Одговорт поткрепи го со формули и зависности на соодветните величини. 8. Како влијае температурата на внатрешната изолација? Како се манифестира стареењето кај органска изолација? На што треба да внимаваме за да се обезбеди нормален животен век на изолацијата во врска со температурата? 9. Какво е влијанието на влагата кај внатрешната изолација? Кои својства се подобруваат а кои влошуваат под дејство на влагата? Со какви средства може влијанието на влагата да се намали? 10. Како се одвива процесот на стареење кај масло - бариерната изолација? Како се манифестира стареењето и кјои мерки може да се преземат процесот да се успори? 11. Како се одвива процесот на стареење кај масло - хартиената изолација? Како се манифестира стареењето и кјои мерки може да се преземат процесот да се успори? 12. Електрична цврстина на внатрешната изолација зависно од долготајноста на делување на напонот (Волт секундна карактеристика). Нацртај го нејзиниот изглед и опши ја. 13. Како принципиелно се одредува дозволената работна јачина на електричното поле клај внатрешната изолација. Појдовна точка нека бидат паочетните парцијални празнења. Како тоа се работи во праксата? 14. Кои износи треба да ги постига испитниот напон, ако се споредува со пробивниот, напонот на внатрешните и импулсните (надворешни) пренапони и напоните на појавата на критичните парцијални празнења. Како се работи во праксата? Љубомир Николоски: ТВН-1 предвање бр

141 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г ПОВАЖНИ ВИДОВИ ВНАТРЕШНА ИЗОЛАЦИЈА Масло-бариерна изолација Во основата на масло-бариерната изолација е минерално масло. За зголемување на електричната цврстина овде се користат и цврсти диелектрици бариери кои се поставуваат во меѓуелектродните маслени растојанија. Тие бариери се направени од специјален т.н. електричен картон (на англиски: transformerboard ) или од пертинакс и слични материјали врз база на целулоза и фенол-формалдехидни смоли и се отпорни на топло трансформаторско масло, а самите електроди (во случајов, електроди се самите намотки) се препокриваат (обмотуваат) со тенок слој хартиени или лакирани хартиени ленти. Бариерите во маслените меѓурастојанија со силно нехомогено поле, исто како и во гасните меѓурастојанија, придонесуваат да се изедначи полето, односно да стане порамномерно, бидејќи на нив се таложат просторни товари и како резултат на тоа пробивниот напон на целото меѓурастојание за напон со фреквенција 50 Hz се наголемува, и тоа во толку поголем степен, колку што полето без присуство на бариери е понехомогено. Пробивниот напон шилец плоча може да се зголеми 2 2,5 пати ако оддалеченоста на бариерата од шилецот изнесува 10 25% од целото меѓурастојание. Ако бариерите се применат во маслени меѓурастојанија со хомогено или слабо нехомогено поле, исто така се забележуваат зголемувања на пробивниот напон, бидејќи бариерите спречуваат да се создадат проводни мостови меѓу електродите. Пробивниот напон во овој случај не зависи од местото на поставување на бариерата, а истиот е зголемен за 30 50%. Бидејќи за создавање и распределба на просторен товар е потребно и извесно време, при импулсни напони бариерите се помалку ефикасни. Бариерите по форма можат да бидат различни, а не само рамни плочи. Тие понекогаш се во вид на цилиндри и обликувани шајби кружни плочи. Често се користат и повеќе бариери истовремено. Оние кои се поблизу до електродите, со мала кривина го изедначуваат електричното поле, а другите дејствуваат како во случајот на слабо нехомогено поле. Препокривањето на електродите со тенок слој диелектрик (1 2 mm) нема влијание врз сликата на ел. поле меѓу електродите, но поволно влијае за спречување на создавање на проводни мостови. При напон со фреквенција 50 Hz, покривањето со тенки слоеви дејствува многу поволно (и до 50%) ако полето е хомогено или слабо нехомогено. При импулсен напон и при силно нехомогено поле не се образуваат проводливи мовчиња, па препокривањето на електродите нема поволно воздејство врз пробивните напони. Изолирањето на електродите со подебели слоеви цврст диелектрик (десетици милиметри) исто така придонесува за намалување на електричното поле близу до електродите, бидејќи диелектричната пропустливост на цврстиот диелектрик е поголема одошто кај маслото (масло: ε r = 2,2; цврст диелектрик: ε r =3,5 7). При ова диелектричната цврстина на целата изолација е зголемена. Вакво обложување со цврст диелектрик е најефикасно при силно нехомогено Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

142 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 141 поле. Ако електричното поле е несиметрично (на пр. шилец плоча), се препокрива само електродата со мал радиус на кривина, а ако е симетрично (шилец шилец), се препокриваат обете електроди. Особено штетна за својствата на масло-бариерната изолација е влагата. Ако бариерите поседуваат 2-3% влага, животот на ваква изолација е драстично намален. Затоа, масло-бариерната изолација при изготвувањето се подложува на сушење со примена на вакуум и зголемена температура, а потоа без нарушување на вакуумот се импрегнира и да наполнува со добро припремено топло изолационо масло. Масло бариерната изолација има добри својства кои овозможуваат добро ладење на намотките и другите проводници низ кои тече струја или на магнетното коло, благодарение на маслото кое циркулира. Затоа ваквата изолација се користи кај енергетските трансформатори, воведните изолатори, реактори и секаде каде што при погонот се создава поголемо количество топлина. На сл. 5.5 даден е еден пример кој се однесува на енергетски трансформатор. ( Сликата всушност е пресек низ рамнината на симетрија на трансформаторот, и прикажан е само еден дел, и тоа левиот горен агол кој припаѓа на првиот столб. Ова е заради едноставност.) Сл.5.5. Изглед на главната масло-бариерна изолација кај трансформатор за 3 35 kv: 1 намотка за NN, 2 бариера, 3 маслени канали, 4 намотка за VN Парцијалните празнења во масло-бариерната изолација можат да бидат почетни и критични. Почетните парцијални празнења се со мал интензитет и настануваат на места со силно нехомогено поле или во гасни меурчиња. Привидниот товар на почетните парцијални празнења се движи меѓу до C. При ова настанува разложување на маслото и создавање на гасови. Но брзината на развој на гасовите е мала, па тие се раствораат во маслото. Критичните парцијални празнења претсавуваат пробиви на маслени слоеви или лизгачки празнења по површините на бариерите. Тие имаат интензитет C и се штетни за масло-бариерната изолација. При нив се развива големо количество гасови, можат да настанат јагленосани траги во бариерите, што сè може да води до целосен пробив. Причината за критичните парцијални празнења во овој вид изолација може да е слабиот квалитет на сушењето при изработката или навлажнувањето во процесот на експлоатацијата. Може да се каже дека критични парцијални празнења со интензитет од 10 9 C при работен напон се опасни и недозволени. Во процесот на експлоатација на масло-бариерната изолација настанува нејзино стареење. Затоа треба да се врши повремена контрола на маслото и, ако е потребно, тоа да се прочисти или замени. Се контролира киселинскиот број Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

143 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 142 (треба да е < 0,25 mg KOH/g), тангенсот на аголот на диелектрични загуби tgδ при 90 o C (да не биде поголем од 100%) и диелектричната цврстина на маслото (пробивен напон, kv/cm или kv на 2,5 mm растојание). Диелектричната цврстина на маслото се проверува меѓу стандардни електроди поставени на растојание од 2,5 mm (сл. 5.6). Се прават 6 пробиви со истата проба масло, а од петте последни се зема средна вредност. Најмалите дозволени вредности за маслото зависат од номиналниот напон на трансформаторот и се дадени во табелата 5.1. Т а б е л а 5.1 Минимална диелектрична цврстина на трансформаторското масло Номинален напон, kv Пробивен напон, kv Диелектрична цврстина, kv/cm до над Сл Стандардни електроди за испитување на диелектричната цврстина на маслото Голем непријател на масло-бариерната изолација е влагата и таа доведува до забрзан процес на стареење. Влагата се јавува и како продукт на стареењето на самото масло, а може да дојде и од атмосферскиот воздух ако не се преземат потребните превентивни мерки. Влагата прво достасува во маслото, а потоа и во цврстата изолација од која тешко може да се отстрани. Влагата има негативно дејство врз сите карактеристики на изолацијата кои се битни за нејзината правилна функција и квалитет и, општо, може да се каже дека ја скратува животната доба. Сл Зависност на максималниот пробивен напон на масло-бариерната изолација од растојанието меѓу Стареењето кај цврстата електродите: компонента на масло-бариерната изолација се манифестира 1 f = 50 Hz, t = 1 min; 2 импулс 600/1600 μs; 3 импулс 1,2/50; преку губење на механичката 4 пресечен импулс 1,2/50 цврстина таа станува кревка, што не е добро од конструктивен аспект. При некои примени цврстата изолација треба да поседува Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

144 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 143 механичка јакост, бидејќи таа е предвидена да трпи одредени сили. Брзината на процесот на стареење на масло-бариерната изолација многу зависи од работната температура во траен погон. Искуството покажува дека максималната дозволена работна температура за овој вид изолација е 90 о C. Под поимот кратковремена електрична цврстина на масло-бариерната изолација ја разбираме електричната цврстина на првиот маслен канал кој е подложен на најголем напон. Имено, бидејќи маслото има помала диелектрична цврстина од цврстата изолација, настанува пробив на првиот маслен канал, каде што полето е најсилно. При ова настанува јагленосана трага на ѕидот од бариерата, што е прв чекор кон целосен пробив. На сликата 5.7 е прикажана зависноста на ел. цврстина на масло-бариерната изолација за енергетски трансформатори добиена по експериментален пат. Пробивниот напон на масло-бариерната изолација може да се одреди според емпириската формула: За наизменичен напон: U = pr L ,, (5.12) L а при цел ударен напон: Upr = L + 214, 82, 5 1. (5.13) L каде што L е растојанието меѓу намотките (од бакарот на едната намотка до бакарот на другата) во cm, а максималниот напон се изразува во kv Масло-хартиена изолација Масло-хартиената (м-х) изолација се состои од слоеви хартија импрегнирана со минерално масло. Поради рапавоста на хартијата, меѓу нејзините слоеви постојат процепи кои маслото ги пополнува. Дебелината на маслените слоеви не надминува десетти дел од милиметарот. Во зависност од конструкцијата, се применуваат две варијанти на оваа изолација. Листовидната изолација се гради од цели листови или ролни хартија и се применува во кондензатори и воведни изолатори. Лентовидната изолација се користи за изолирање на конструкции со сложена форма или со поголема должина, а исто така кога треба да се овозможи еластичност на изолацијата при монтажа и експлоатација на уредите (на пример кај каблите). Хартиената лента се намотува на деловите кои се изолираат во последователни слоеви, спирално со позитивно или негативно прекривање, како на сл Лентовидната изолација со позитивно прекривање, по правило, се применува за изолирање на конструкции со сложена форма при рачно намотување (на пример кај струјните високонапонски трансформатори). Изолацијата со негативно Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

145 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 144 прекривање се применува при машинско намотување на лентата (на пример кај каблите). 1 2 a b Сл Масло-хартиена изолации. а) листовидна, б) лентовидна со негативно, в) лентовидна со позитивно прекривање: 1 електроди, 2 листови хартија, 3 хартиени ленти, 4 маслени слоеви v Пред импрегнација со минерално масло, со цел да се отстрани влагата, изолацијата се суши под висок вакуум (под 1 Pa) и при температури од о C. Масло-хартиената изолација има висока диелектрична цврстина која ја надминува цврстината на секоја од компонентите посматрани посебно. Тенките слоеви од масло-хартиена изолација, ако полето дејствува попречно на слоевите, достигаат до kv/cm, додека маслото има посебно 200 kv/cm, а хартијата kv/cm. Електричната цврстина на м-х-изолацијата долж слоевите има помала електрична цврстина одошто попречно на слоевите (10 до 20 пати), па затоа за овој вид изолација се опасни за тангенцијалните компоненти на ел. поле. Во зависност од квалитетот на појдовните материјали и технологијата на изработка, допуштената јачина на електричното поле во м-х-изолација се движи од 120 до 180 kv/cm, а кај масло-бариерната само од 40 до 60 kv/cm Регулирање на електричните полиња во масло-хартиената изолација Целта на регулирањето на електричното поле е подобро искористување на изолацијата. За сигурен погон на изолацијата е потребно максималната јачина на електричното поле да не ја надмине дозволената јачина, E max < E doz. Ако E max го изразиме преку коефициентот на нехомогеноста на ел. поле k n и средната јачина на електричното поле Esr = U / d, каде што d е дебелина на изолацијата, а U е работен напон, се добива: U d k E d U n < doz,... > kn. (5.14) E Последново равенство покажува дека при зададена вредност на E doz потребната дебелина на изолацијата е пропорционална со коефициентот на нехомогеноста k n. Според тоа, најтенка изолација би била потребна ако полето е хомогено. Затоа, основна задача на регулирањето на електричното поле е doz Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

146 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 145 намалување на коефициентот на нехомогеноста, односно постигање на што похомогено поле. Еден од начините за регулирање на електричното поле во конструкциите со масло-хартиена изолација е степенување на изолацијата (сл. 5.9). Ова се остварува со комбинирање на материјали со различни диелектрични константи. Овој метод особено се користи кај високонапонските кабли. E D ε 1 ε 2 a r 1 r 2 r b E 2 r 1 1 r 2 r 3 r Сл Регулирање на ел. поле по пат на степенување на изолацијата. а) шема на изолацијата, б) распоред на јачината на ел. поле во радијална насока: 1 без степенување на изолацијата; 2 со степенување на изолацијата; El електрода, D диелектрик Да посматраме еден едножилен кабел со проводна жила со радиус r 1. Ако се користи еднотипен диелектрик, распоредот на електричното поле во радијален правец се дава со кривата 1 на сл. 5.9б. Ако се искористат два изолациони материјала со различни диелектрични пропустливости ε 1 и ε 2, при што ε1 > ε2, распоредот на електричното поле се претставува со кривата 2. Од условот за еднаквост на електричното поместување кај цилиндричните површини со радиуси r 1 и r 2 (Гаусова теорема од електростатика), ќе важи: 2πrε ε E = 2πr ε ε E, (5.15) 1 1 o 1max 2 2 o 2max каде што E 1max и E 2max се јачините на ел. поле, соодветно, при радиуси r 1 (внатрешен цилиндар проводник) и r 2 (граница меѓу двата диелектрика). Од (5.15) се добива условот за E1max = E2max : ε r = ε r, односно ε1 = r ε r. (5.16) Коефициентот на нехомогеноста на полето при степенувана изолација се добива помал одошто за хомогена изолација и затоа вкупната дебелина на степенуваната изолација при зададена вредност на E doz ќе биде помала. (На сликата 5.9 постигнато е исто минимално поле, а помало максимално, или помало средно поле) Во практиката степенувањето на масло-хартиената изолација кај каблите се остварува со избор на различни видови хартија. Релативната диелектрична пропустливост на хартијата зависи од нејзината густина и се движи во границите ε r = 3,5 4,3. Највисока вредност за ε има густата хартија со густина 1,2 g/cm 3 (дебела 8 μm), а најмала хартијата со густина 0,85 g/cm 3 (дебела 200 μm). Обично степенувањето се врши во два слоја, при што Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

147 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 146 внатрешниот слој се мота со погуста хартија. Повеќе слоеви се користат само кај кабли од највисоки напони. Кај кабли за еднонасочен напон распределбата на јачината на ел. поле се врши според проводливоста на изолацијата и затоа степенувањето се врши според условот: σ11 r = σ2r2, (5.17) каде штоσ 1 и σ 2 се специфични волуменски проводливости на слоевите. Условот (5.17) се добива кога се постави еднаквост на струјата на одведување J =. 1 J 2 Регулирањето на електричното поле во конструкциите со масло-хартиена изолација исто така може да се изведе со кондензаторски слоеви, кои всушност, претставуваат дополнителни електроди од метални фолии кои се распределени во длабочината на диелектрикот меѓу главните електроди. Како резултат на тоа, се формира низа од сериски сврзани кондензатори чии капацитети при наизменичен напон (или отпор на изолација при еднонасочен напон) ја определуваат распределбата на напонот во изолацијата. Преку изборот на димензиите, бројот и заемниот распоред на дополнителните облоги может да се менуваат и капацитетите на сериски вклучените кондензатори, а на тој начин да се регулира и видот на распределбата на ел. поле. Дополнителните електроди може да бидат сместени било во главната изолација, меѓу главните електроди, со што се регулира полето во радијален правец, било на краевите од дополнителните електроди, со што се регулира полето во аксијален правец (сл а и б). Изборот и димензиите на облогите при изолации со ротациона симетрија се врши тргнувајќи од условот за константност на флуксот на векторот D низ сите облоги меѓу главните електроди: 2πrlεoεrEr = konst. (5.18) каде што E r е јачината на полето на некоја од облогите, r е радиусот на таа облога, l е должината на облогата. Ако се тргне од условот максималната јачина на електричното поле во рамките на секој слој меѓу 2 соседни облоги да биде еднаква, димензиите на облогите се одредуваат од условот: rl = konst. (5.19) Ако бројот на дополнителните облоги е доста голем, Δr = rn+1 rn е релативно мало (во практиката 2 4 mm), тогаш во рамките на секој слој разликата меѓу минималното и максималното поле е мала, и така, полето по целиот радиус практично е константно. На тој начин се добива намалување на дијаметарот (дебелината) на изолацијата (сл. 5.10). Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

148 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 147 Од самата слика 5.10 се гледа дека овој начин се применува кај воведните изолатори за висок напон. Но, исто така, со помош на дополнителни електроди се регулираат електричните полиња и во масло-бариерната изолација. Во тој случај дополнителните електроди се лепат на бариерите со цилиндрична 1 2 u 2 a f b r f r 1 r 2 r 3 r c E r Сл Начин на сместување на кондензаторски облоги (дополнителни електроди) во изолацијата: горе, лево: а) меѓу електродите, за регулирање на ел. поле во основната изолација, б) при завршетоците на главните електроди или при завршетоците на дополнителните електроди. 1 електрода, 2 диелектрик, 3 дополнителна електрода; горе десно: детаљ со димензионирање на облогите; десно: распределба на електричното поле во радијален правец E bez Eso r c r 2 r 1 r f r форма. Стареење на масло-хартиената изолација. Почетните парцијални празнења во масло-хартиената изолација претставуваат пробиви во маслените слоеви во места каде што електричното поле е зајакнато, на пример кај остри завршетоци на електродите. Привидниот товар на овие п.п. е C. Почетните п.п. дејстуваат само врз маслото, при што го разоруваат и ослободуваат гасови кои, пак, се раствораат во маслото и отпрвин не претставуваат некој проблем, но со текот на времето маслото сè повеќе се заситува со вакви гасни продукти, па сè полесно се јавуваат и посилни п.п. Почетните п.п., според тоа, бавно дејствуваат во смисла на разорување на м-хизолација, па се дозволени и под работен напон. Критичните п.п. во масло-хартиената изолација се јавуваат кога интензитетот на создавање на гасовите ќе го надмине интензитетот на нивното растворање во маслото, па се создаваат гасни меурчиња во кои тие настануваат, или настануваат во места со особено силно локално електрично поле. Овој вид п.п. има интензитет 1000 до пати поголем од почетните. Ако притисокот на маслото е зголемен (некои видови кабли), се зголемува и напонот при кој се Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

149 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г. 148 јавуваат критични п.п., бидејќи се зголемува растворливоста на маслото за гасови, а ова е поволно од аспект на изолационата цврстина на изолацијата. Критичните п.п. за кусо време можат да доведат до разрушување на м-х изолација и затоа се сосема недопустливи. Појавата на критични п.п. во гасни меури при наизменичен напон доведува до гранковиден пробив. Тоа се нагореници со разгранета структура низ изолацијата, кои претставуваат микроканалчиња со проводливи или полупроводливи ѕидови. Тоа е затоа што критичните п.п. развиваат висока температура и доведуваат до разложување на маслото и нагорување на хартијата. Гранковидниот пробив не настанува наеднаш, тој се развива долго време, при што структурата се развива и издолжува, стремејќи се да се простира кон спротивната електрода. Процесот се развива долж силовите линии на полето, т.е. попречно на слоевите од хартијата. Со развојот на овој пробив, полето е зајакнато на крајот од каналите, па се јавува и тангенцијална компонента на полето, долж слоевите од хартијата, па се развиваат гранки и во тој правец. (Овој вид изолација е послаб во овој правец, па затоа развитокот на празнењето се движи и во тој правец). Значи, процесот напредува и радијално и аксијално и на крајот завршува со целосен пробив. Кај лентовидната изолација со негативно прекривање (на пр. кабли) меѓу почетокот и завршетокот на гранките може да има растојание и повеќе метри. Во масло-хартиената изолација, за разлика од масло-бариерната, не може маслото да се замени во процесот на експлоатацијата. Затоа треба да се внимава на дозволената температура на ваквиот вид изолација, која за енергетските кондензатори е о C, за каблите о C, а кај апарати и ел. машини до 90 o C. Состојбата на изолацијата се следи врз основа на состојбата на маслото (тангенс на аголот на диел. загуби, киселински број, отпор на изолација, состав на растворените гасови во маслото). Посигурна е експлоатацијата на ваков вид изолација кога таа е херметички изолирана од допир со атмосферскиот воздух (кабли, кондензатори, модерни видови мерни трансформатори за висок напон). Електричната цврстина на масло-хартиената изолација многу зависи од квалитетот на појдовните материјали, од технологијата на изработката (намотување, сушење, вакуумирање, импрегнирање), а исто така и од евентуално навлажнување кое влијае многу негативно. Оваа изолација е многу поцврста кога е подложена на дејството на еднонасочен напон одошто на наизменичен. Ова се објаснува со поинаквиот начин на распределба на електричното поле меѓу хартиените и маслените канали. Имено, распределбата на напонот при еднонасочен напон е обратно пропорционална на проводливоста. Хартијата има повисок отпор од маслото, па еднонасочниот напон е повеќе приложен на хартијата, но таа истовремено претставува и електрички поцврста компонента. Освен тоа, и интензитетот на парцијалните празнења е повисок при примена на наизменичен напон. Прашања 1. Opis na maslo-bariernata izolacija. Kade se koristi? Opi{i ja ulogata na sekoja komponenta posebno, masloto i barierite. Koi se dobrite i slabite strani na ovoj tip izolacija? Tehnologija na impregnirawe. 2. Kakvi i kolkavi parcijalni praznewa se pojavuvaat kaj maslo - bariernata izolacija? Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

150 ФЕИТ: Техника на висок напон - 1 предавања 2012г Koi parametri na izolacijata se promenuvaat vo tek na stareeweto i vo koi granici se dvi`at? Kako se proveruva diel. cvrstina na masloto i vo koi granici treba da se dvi`i? 4. [to znae{ za kratkovremenata diel. cvrstina na maslo - bariernata izolacija i kolku iznesuva taa? 5. Opi{i ja maslo hartienata izolacija i daj primeri na nejzinata primena. Kako se vr{i nejzinata priprema - impregnacija. Kolkava diel. cvrstina postiga i kolku iznesuva rabotnata ja~ina na el. pole? 6. Zo{to se vr{i regulacija na elektri~noto pole kaj izolacijata. [to se postiga so ovaa merka. 7. Regulacija na el. pole kaj maslo - hartiena izolacija so metodata na stepenuvawe. Posmatraj dva slu~ai: a) Izolacija e nameneta za naizmeni~en napon; b) Izolacija e nameneta za ednonaso~en napon. 8. Regulacija na el. pole kaj maslo - hartienata izolacija so metodata na kondenzatorski oblogi. 9. Kako staree maslo-hartienata izolacija? Kakvi i kolkavi parcijalni praznewa se javuvaat vo nea? Opi{i kako nastanuva probivot na maslo hartienata izolacija pod dejstvo na parcijalnite praznewa koi deluvaat podolgo vreme. 10. Koi rabotni tempreraturi se koristat kaj maslo - hartienata a koi kaj maslo - bariernata izolacija? [to koristi i kolku e bitna hermetizacijata kaj maslo-hartienata a i voop{to kaj vnatre{nata izolacija od bilo koj vid? Љубомир Николоски: ТВН-1, предавање бр

151 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g 13. ПОВАЖНИ ИЗОЛАЦИОНИ КОНСТРУКЦИИ ИЗОЛАЦИЈА КАЈ ТРАНСФОРМАТОРИТЕ Изолацијата на трансформаторите се дели на внатрешна и надворешна. Надворешната изолација ја сочинуваат воздушните растојанија меѓу воведните изолатори на разните фази и површината на воведните изолатори до казанот. Внатрешната изолација, пак, на трансформаторот е изолацијата на намотките и воведните изолатори. Внатрешната изолација од своја страна се дели на главна (или попречна) и надолжна. Во главната изолација спаѓа изолацијата на намотката од една фаза спрема намотките од другите фази и од фазните намотки кон заземјените делови на трансформаторот (јадрото, јаремот, казанот). Во надолжната изолација на трансформаторот спаѓа изолацијата меѓу навивките, слоевите, секциите, одводите од една иста фаза. Надолжната изолација може натаму да се подели на изолацијата меѓу навивки и меѓу секции. Кај енергетските трансформатори како внатрешна изолација се користи минералното масло во комбинација со цврст диелектрик (електричен картон, хартија, ткаенина). Маслото по пат на конвекција освен тоа овозможува одведување на топлината од намотките и од магнетното јадро. Кај трансформаторите со номинален напон до 35 kv се користат цилиндрични намотки. Нивната конструкција е едноставна. Намотката се состои од спирално намотани жици во неколку слоеви на цилиндар од бакелитна хартија (пертинакс). За подобро ладење меѓу неколку слоеви од намотката се оставаат маслени канали. Кај трансформаторите за номинален напон од 110 kv и повеќе, а исто така и кај трансформаторите со номинален напон 3 10 kv, со поголема моќност, многу се користат непрекинати и секциони намотки. Секоја секција содржи 2 3 десетици навивки, кои се намотуваат со една или 2 3 паралелни проводници. За подобро ладење и за подобра ел. цврстина, меѓу секциите се оставаат канали. На сл. 6.1 шематски е прикажана главната изолација на еден трансформатор за 35 kv. Таа всушност претставува масло-бариерна изолација. Меѓу намотките за висок напон (VN) и низок напон (NN) изолацијата се состои од 2 маслени канала одделени со бариера во вид на цилиндар од бакелитизирана хартија или електричен картон (познат под името Transformerboard материјал, базиран на целулозни влакна). Исто така, и спрема јаремот на магнетното коло се поставени шајби од електричен картон. Изолациони бариери цилиндри, се наоѓаат и меѓу намотките за низок напон и магнетното јадро. Бариери постојат и меѓу намотките за висок напон на различните фази. Изолацијата на проводниците за намотување се Сл Шема на изолацијата на трансформатор за 35 kv: 1 магнетно јадро, 2 цилиндри од бакелитизирана хартија, 3 бариери од електричен картон состои од навивки на хартиена лента со дебелина 0,25 mm. Но, онаму каде што постои опасност од пожар, за енергетските трансформатори со напон до 35 kv се користи гасна изолација, SF 6 или воздух (таканаречени трансформатори во сува изведба). Такви се погоните во рудници, подземни инсталации, во внатрешноста на Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

152 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g згради и слично. Главната изолација на трансформатори и автотрансформатори за номинален напон 110 kv и повеќе е масло-бариерна. Цилиндрични бариери од електричен картон го делат масленото меѓурастојание на повеќе канали. Бројот на бариерите и каналите, нивната дебелина и број зависат од номиналниот напон и од конструкцијата. Се настојува да се постават бариери по еквипотенцијалните површини, за да не постои тангенцијална компонента на ел. поле по површината на бариерите. Спрема јаремот се поставуваат аголни шајби од електричен картон. Кај трансформаторите со уште повисок напон, 220 kv и повеќе, проблем претставува водењето на изводите за висок напон покрај намотките, а и покрај јаремот на магнетното коло. Запазувањето на потребните растојанија доведува до зголемување на габаритите на трансформаторот. Сега се прибегнува кон водење на изводите за висок напон од средината на намотката (слика 6.2). Намотката за висок напон се дели на 2 еднакви дела кои се поврзани паралелно. Двата краја означени со бр. 4 се во близина на магнетното коло. Тие се поврзуваат заедно и тоа претставува неутрална точка. Другите 2 краја од намотката се поврзани со мовче и го даваат изводот за висок напон означен со 3. Изводот за висок напон се наоѓа во зоната на хомогено електрично поле и има поупростена изолација. Главната изолација кај трансформаторите за 220 kv и повеќе е степенувана. Таа е засилена на местата со појако ел. поле, и послаба во местата со послабо ел. поле во однос на земјата. Сл Главна изолација на трансформатор за 220 kv со изводи на висок напон од средината на намотката: 1 намотка за VN, 2 намотка за NN, 3 линиски изводи за VN, 4 изводи за неутралата, 5 изолациона шајба, 6 аголна шајба, 7 јарем, 8 столб на магнетното јадро, 9 мост за сврзување на намотката за VN, 10 цилиндри При експлоатацијата на изолацијата на трансформаторот треба да се обрне внимание особено на некои работи. Прво, треба да се следи состојбата на квалитетот на маслото. Второ, треба да се следи температурата на маслото при работата и таа не смее да надмине одредени граници, а во таа смисла треба да се надгледува и средството за циркулација (пумпа, вентилатор) со кои се лади маслото. Максималните температури на горните слоеви на маслото се пропишани, и кај трансформаторите со природно маслено ладење изнесуваат +90 о C. Кај трансформаторите со маслено-воздушно ладење тоа се +80 о C, а кај трансформаторите со маслен-водено ладење +70 о C. Исто така, ниту работниот напон на трансформаторот не смее трајно да биде зголемен повеќе од 5%. При зголемен напон, на загубите во магнетното коло се зголемени и тоа може да се прегрее и да настане т.н. пожар на железото, што значи повреда на изолацијата меѓу листовите на магнетното коло. Ова е тешка хаварија. Освен тоа, во процесот на експлоатацијата на трасформаторот потребно е спроведување на систематски надзор и периодично спроведување на профилактички испитувања. При периодичното набљудување се проверува покажувањето на термометрите, дали порцеланските воведни изолатори се цели и неоштетени, дали од нив или од казанот не тече масло. Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

153 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g Се проверуваат цевката за одушник со влошка од силикагел, стаклото за покажување на нивото на маслото (се наоѓа на странично на садот за масло кој е издигнат над капакот од трансфроматорот и со казанот е поврзан со цевка. Ова е т.н. дилатациониот сад за масло), исправноста на системот за ладење. Профилактичките испитувања на изолацијата на трансформаторот се спроведуваат во текот на експлоатацијата, задолжително при генералните ремонти, а може и почесто. Притоа се мери отпорот на изолацијата на намотките со мегаомметар, тангенсот на аголот на загубите на изолациониот систем (намотка спрема намотка и намотка спрема казан), потоа tgδ на воведните изолатори, tgδ на проба од маслото од долниот испуст, се врши испитување на проба од маслото која опфаќа диелектрична цврстина, киселински број, содржина на талог, површински напон, специфична проводност, содржина на вода, содржина на некои карактеристични гасови (т.н. гасна хроматографија на проба од масло ). Преку систематско следење на изолациониот систем на енергетскиот трансформатор се обезбедува негов долг експлоатационен живот. Мерни трансформатори. Мерните трансформатори имаат масло-хартиена изолација, ако се конструирани за напон за 35 kv и повеќе. Но, денес за мерните трансформатори од 6-35 kv вклучително се користи и леана изолација од епоксидна смола, бидејќи е поевтина и поедноставна за изработка. Кај ваква леана цврста изолација многу е битно нивото на парцијалните празнења да не биде над некое определено нииво (50 pc), што треба да се провери веднаш по нивното производство. На сликата 6.3 е прикажана изолацијата на еден струен трансформатор за 35 kv со масло-хартиена изолација. Ваква изолација има и трансформатор за 110 kv. Примарната намотка чини еден свиток окно, низ кое минува торус на магнетното коло. Изолацијата се состои од ленти од кабелска хартија која се мота во многу слоеви една врз друга. Сета конструкција се вметнува во порцелански изолатор кој е добро задихтуван со гумени дихтунзи. Залевањето со масло се врши после добро сушење и вакуумирање под висок вакуум. Постарите конструкции имале допир со надворешниот воздух преку издушник со капак. Кај овие конструкции количеството на масло е големо и кај нив е дозволено да се зема проба масло за испитување. Новите конструкции се херметички затворени, а термичкото ширење на маслото се обезбедува со специјални мевови (мембрани) во горниот дел, кои се истегливи и Сл Изолација на еден мерен струен трансформатор за 35 kv. 1 примарна намотка; 2 секундарна намотка; 3 магнетно јадро; 4 масло-хартиена изолација; 5 струен приклучок; 6 куќиште од порцелан. ги примаат на себе дилатациите на маслото. Овие конструкции имаат мало количество масло и не се дозволува негово земање за испитување. Профилактичките испитувања на мерните трансформатори за висок напон со маслохартиена изолација се состојат во мерење на факторот на загубите tgδ и отпорот на изолацијата R iz на целиот изолационен систем. Ова се врши при ремонти во постројките или на секои 2 години. Надзорот, кој што се спроведува секојдневно, опфаќа посматрање на целосноста на порцеланскиот изолатор, евентуално присуство на течење на маслото, посматрање на стакленцето за нивото на маслото и друго. Кај струјните мерни трансформатори многу битно е посматрање (мерење) Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

154 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g на температурата на споевите (доводите) за примарната струја со помош на камера (или термометар врз база на зрачење на топлина пирометар), кое се врши без исклучување на напонот, од далечина. Оваа постапка се вика термовизија. Среднонапонски трансформатор изолиран со масло, ЕМО. Се гледа диулатациониот сад во вид на цилиндер со маслопоказното стакло и воведните изолатори ИЗОЛАЦИЈА НА КАБЛИТЕ ЗА ВИСОК НАПОН Каблите за висок напон се состојат по правило од следните елементи (одејќи однатре нанадвор): проводни жили, изолација која се наоѓа врз жилите, херметичка покривка од олово или алуминиум поставена врз изолацијата, оклоп од челични ленти или жици, кои служат за механичка заштита, и на крајот ленти од битуменизирана хартија, ткаенини или специјална преѓа која служи за антикорозивна заштита. Каблите имаат форма на цилиндар со дијаметар cm, што може да се смета за максимум, бидејќи при поголеми дијаметри не можат да се мотаат на барабани. Фабричките должини зависат од можноста за транспорт, а не надминуваат неколку стотини метри. Поврзувањето на каблите во водови се остварува со кабелски спојници (муфови), а почетокот и крајот на кабелот имаат кабелски глави (крајни муфови). Кабелските глави всушност се премин на водот од кабелски во воздушен. Кабелот се положува во земја, во цевка или во канали тунели, па и под вода. Проводните жили се изработени од бакар или од алуминиум и можат да бидат од една жица или од сноп жици. Пресекот на жилите може да биде кружен или секторски. Максимален пресек на едножилните кабли оди до 240 mm 2 ако се од бакар, и 625 mm 2 ако се од алуминиум. Најзастапен вид изолација (но и традиционален) на енергетските кабли за висок напон е импрегнираната хартиена изолација. Хартиените ленти за каблите се широки 5 Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

155 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g 30 mm и дебели 0,02 0,17 mm. Тие се намотуваат густо на проводните жили со зјај 1 2 mm. Зјајовите овозможуваат еластичност на кабелот. Наредниот слој хартија го прекрива зјајот на претходниот слој. Импрегнацијата на хартијата се врши или со кабелско масло, со вискозен (густ) компаунд (смеса), или со гас. По импрегнацијата електричната цврстина многу пораснува (на пример, од 3 5 на MV/m). Импрегнацијата, всушност, ги пополнува сите пори во хартијата и ги истиснува воздушните меурчиња. Како вискозни импрегнациски смеси се користат смеси од масло со калофониум или синтетски импрегнациски средства. Освен високата електрична цврстина, тие компаунди треба да ја запазат високата вискозност и при покачени работни температури од о C, а да се со мала вискозност во процесот на импрегнирањето, кое се врши на о C. Бидејќи кај каблите со вискозна импрегнација во текот на експлоатацијата во диелектрикот се создаваат воздушни меурчиња, што е штетно од аспект на електричната цврстина, затоа ваквата импрегнација се користи за напони до 35 kv. За кабли со повисоки напони како импрегнациско средство се користи кабелско масло од минерално потекло нафтата. Ова масло се карактеризира со висок степен на чистота и со разни додатоци против оксидација, за зголемување на растворливоста на гасовите и слично. Исто така се користат и синтетски изолациони масла. Освен течните диелектрици, за импрегнација се користат и гасовити (азот, SF 6 ). Во последно време како изолација и заштитен плашт кај каблите се користат и пластични материјали (термопласти). Некои пластични материјали спаѓаат во одлични диелектрици, а самата изработка на кабелот е поедноставна и поевтина. Најширока употреба нашол полиетиленот. Обично се користи полиетилен со ниска густина и вмрежен. Вмрежениот полиетилен издржува повисока температура. Во англиската литература е означен скратено како XLP (cross linked polyethylene). За надворешен заштитен плашт се користи полиетилен со додаток на 1 2 % саѓи. Во технолошки најразвиените земји вмрежениот полиетилен денес се применува за кабли до највисоки напони (и до 400 kv). Заради сè поголемото значење на вмрежениот полиетилен кој како кабелски диелектрик се применува за сите напонски нивои, многу брзо ги истиснува маслохартиените видови диелектрици, да наведиме уште некои факти. Топлинската постојаност на вмрежениот полиетилен е 70 до 90 o C. За вмрежување се користат следните методи: хемиска, со помош на пероксид во атмосфера на водена пареа или гасови како што се азотот, SF 6 и други (таканаречено суво вмрежување ), во силиконско масло, според т.н. Sioplas постапка без зголемен притисок, но исто така и по пат на озрачување. ПЕ е неполарен диелектрик, бидејќи диполните моменти на CH 2 групите се компензирани. Затоа tgδ е низок и изнесува (1 2) 10 4 при 20 o C. Релативната диелектрична пропустливост му е 2,3, а специфичниот отпор е Ω cm, според тоа тој има екстремно мали диелекттрични загуби. Но, практичната примена на ПЕ за изолација на каблите, а особено за највисоките напони, е сврзана со технички и технолошки проблеми кои може да ги решат само технолошки поразвиените средини. Проблемот, пред сè, сврзан со осетливоста на ПЕ на парцијалните празнења (п.п.). Во местата со засилено ел. поле, во шуплините или, пак, на границата ПЕ воздух, се јавуваат разрушувања во вид на микроскопски структури, кои изгледаат како гранчиња или дендрити. Тоа се ситни каналчиња на пробивот, кои растат и напредуваат во длабочината на диелектрикот од ПЕ под дејството на електричното поле и во крајна мерка доведуваат до пробив. Ова е т. нар. treeeng процесот односно формирање на тие дрвообразни структури дендрити. Заради слабата отпорност на п.п., како и заради присуството на просторен електричен товар, работната јачина на ел. поле во каблите за среден напон е ниска и изнесува само 2 5 kv/mm. Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

156 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g Проблемот со осетливоста на ПЕ на п.п. кај современите кабли се решава со вметнување на полупроводни слоеви веднаш над металната спроводна жила. Тие слоеви, всушност, претставуваат ПЕ со додаток на саѓи. Освен тоа, како обврзно завршно испитување на 2U o готовиот кабел со изолација од ПЕ е испитувањето на нивото на п.п., при што сите кабли со п.п. над 5 pc се сметаат за шкарт и се отфрлаат. Освен погоре опишаните дендрити, кои настануваат по електричен пат, т.е. заради парцијалните празнења, денес е согледан и проблемот на појава на т.н. електрохемиски или водени дендрити. Тие се сосема аналогни на електричните и настануваат под влијание на локалнио нехомогено електричното поле во навлажнети места. Бидејќи појавата се манифестира само во присуство на влага, затоа овие дендрити се нарекуваат и водени. Оваа форма на разрушување на изолацијата од ПЕ се развива во долг временски период години во кои кабелот е положен во влажна земја. Бидејќи појавата не е проследена со парцијални празнења, таа не може да се открие преку мерењето на п.п. Ваквите дендрити може да се видат под микроскоп со претходно боење на изолацијата со раствор на Na 2 CO 3. Ако водените дендрити се мали, тие не се опасни за изолацијата. Но ако продолжат да растат, бидејќи се проводливи, тие ја ослабуваат изолацијата и по неколку години може да доведат до пробив. Со цел да се спречи влијанието на водените дендрити, кабелот се конструира така што ќе се спречи продорот на влагата попречно или надложно во кабелот. Се ставаат специјални облоги кои го отежнуваат продорот на влагата, на пример направени од полиетилен во кој има вметнатао фолија од алуминиум. Исто така се користат и ленти кои бабрат под влијание на влагата. Во последно време добри резултати се постигнати со импрегнација на ПЕ со сулфурен хексафлуорид. На сликата 6.4 се дадени трожилни кабли со вискозна импрегнација. На сл. 6.4а кабелот е со таканаречена појасна изолација и секторски оформени жили. При секторски пресек се постига најдобро искористување на просторот, но сликата на ел. поле не е најповолна. Покрај нормална, полето има и тангенцијална компонента, што е негативно, и затоа работната јачина на ел. поле во вакви кабли не надминува 32 kv/cm и ги прави несоодветни за работни напоните над 10 kv. Секоја жила има сопствена фазна изолација, а сите 3 жили спрема оловниот плашт имаат појасна изолација. Просторот меѓу фазите и појасната изолација исполнет е со полнител од слабоквалитетна кабелска хартија. Сл Трожилен кабел со вискозна импрегнација: а) со појасна изолација и секторски жили, кабел за 10 kv; б) со посебно оклопени жили; 1 проводна жила, 2 фазна изолација, 3 појасна изолација, 4 исполнување, 5 оловен плашт, 6 оклоп, 7 антикорозивна покривка, 8 екран од полупроводна хартија. Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

157 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g Среднонапонски кабел изолиран со полиетиленска изолација (3М) Ако кабелот е изведен со одделни оловни плаштови за секоја фаза како на сл. 6.3.б, тоа е поповолно од аспектот на електричната цврстина и тој може да се користи за напони до 35 kv. Сега нема тангенцијална компонента на ел. поле и максималната јачина на ел. поле е 42 kv/cm (при наизменичен напон) и 300 kv/cm при еднонасочен напон. Каблите импрегнирани со масло се наменети за високи работни напони, над 35 kv. Според притисокот на маслото, тие се делат на кабли за низок притисок (до 0,4 0,5 MPa) и кабли за висок притисок на маслото (0,7 1,5 MPa). Работната јачина на ел. поле кај овие кабли зависи од притисокот и се движи од kv/cm кај каблите со низок притисок, до kv/cm кај каблите со среден притисок, за да достигне до 180 kv/cm кај каблите со висок притисок. Ваквите кабли се градат и за напони од 500 kv работен напон, но нивната конструкција и експлоатација е сложена. Каблите со изолација од пластични маси имаат едноставна конструкцијата. Проводливата жила се препокрива со хомоген слој полиетилен (работен напон до 6 kv), а за повисоки напони се става и дополнителен екран од полупроводен полиетилен или поливинилхлорид врз изолацијата и непосредно врз проводната жила. Ваквите слоеви го намалуваат влијанието на воздушните меурчиња кои се наоѓаат на границата метал изолација на проводната жила и го прават полето похомогено. Одозгора на изолацијата, пак, доаѓаат заштитните покривки како и кај каблите со вискозна импрегнација. Предноста на ваквите кабли е во фактот што имаат помала маса, помалку заштитни облоги, но нивниот недостаток е тоа што се послабо топлински отпорни. Од вмрежен полиетилен денес се изработуваат кабели и за највисоки напони, но оваа технологија ја имаат овладано само технички најразвиените земји. Битно е, притоа, во технолошката постапка на производство и вмрежување да се избегне остаток и на најмали количество вода, бидејќи е докажано дека токму остатоците од водата се причина за гранковиден пробив кај вмрежениот полиетилен наменет за висок напон. Кабелските муфови (спојки) и глави се важни елементи на кабелските водови. Главите се место на премин на еден енергетски вод од воздушен во кабелски. Бидејќи изработката на овие елементи се врши на терен, а не во фабрика, нивната изолација нема така висок квалитет како изолацијата на самиот кабел. Затоа, кај спојките и главите изолационите растојанија се зголемени. Нивната конструкција зависи од номиналниот напон и од типот на кабелот, како и од местото на полагањето на кабелот. Еден пример на конструкција на кабелска спојка е даден на сликата 6.5. Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

158 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g Сл Спојка (муф) за кабел од 35 kv, 1 оклоп, 2 конус од епоксиден компаунд, 3 ѕид од епоксиден компаунд, 4 ѕид на телото, 5 врска на проводните делови, 6 внатрешен екран Модерни кабелски завршетоци (глави) кај едножилни кабели за среден напон изведена со термопластични термостегачки материјали Горе: Модерна кабелска завршница за среднонапонски трижилен кабел долу: Модерна кабелска спојница за среднонапонски кабел. Обете изведени со термопластични термостегачки материјали Монтажата се одвива на следниот начин: Оловниот плашт се симнува од двете страни на кабелот. Изолацијата се сече конусовидно. Жилите се врзуваат со пресувани метални цевчиња. Врз жилите и цевчињата се лее епоксиден компаунд (или се мотаат хартиени импрегнирани ленти). Потоа целата конструкција се залева со епоксиден компаунд. За да не настане зголемување на ел. поле на краевите од оловните плаштови, таму се вметнуваат внатрешни екрани во вид на конуси. Сето тоа се затвора со метален оклоп. Кабелските спојки за високонапонските кабли имаат многу сложена конструкција со цел да се добие електрична цврстина на конструкцијата не помала од онаа на самиот кабел. Обично, пред да се усвои некоја конструкција, претходат бројни математички моделирања (пресметки) на електричното поле и лабораториски испитувања со висок напон. Кабелските глави (завршетоци) имаат посложена конструкција, особено ако се за висок номинален напон. Нивната изолација е аналогна на изолацијата на воведните изолатори за трансформаторите ИЗОЛАЦИЈА НА ВОВЕДНИТЕ ИЗОЛАТОРИ Сè до номинален напон од 35 киловолти се применуваат претежно порцелански изолатори со воздушна празнина, како на сликата 6.6. Со цел да се покачи напопнот на почетокот на парцијалните празнења во внатрешноста на шуплината, на проводникот се намотува слој хартија или, пак, на внатрешната површина на порцеланот се поставуваат облоги од полупроводен материјал кој е електрички поврзан со проводникот. На тој начин во шуплината нема да постои електрично поле. Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

159 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g Сл Порцелански воведен изолатор за 35 kv со воздушна празнина: 1 порцеланско тело, 2 проводлив стожер, 3 фланец за прицврстување, 4 капа, 5 - ѕид (заземјен). За напон од 35 киловолти се прават и воведни изолатори со хартиено-бакелитна конструкција (сл. 6.7). Изолацијата се нанесува директно на проводливиот стожер, слој по слој, ред хартија, ред бакелитна смола која се запечува на 160 о С. Во слоевите може да се додадат кондензаторски облоги за регулирање на полето. Потоа горната површина се лакира. Ваква конструкција задоволува само за внатрешна монтажа, ако изолацијата не е изложена на атмосферски влијанија. Ако обете страни, или само едната, треба да работат во надворешни услови, згора на сето ова се додава пак порцелански кожуф со ребра, како на сликата 6.7 (таму е само едната страна за надворешна монтажа). Просторот меѓу стожерот и порцеланот се залева со густ изолационен компаунд. На сликата 6.8 е претставен воведен изолатор за 110 киловолти со масленобариерна изолација. Бариерите се со цилиндрична форма и на нив се налепени проводливи фолии за регулирање на полето од типот на капацитивни облоги. Останатиот простор е исполнет со масло. Уште посовршен и со помали габаритни димензии е воведен изолатор со маслохартиена изолација, (сл. 6.8б). И тој се прави за највисоки напони. На проводливиот стожер се намотува хартија во која има кондензаторски облоги за регулирање на полето. Сето се затвора со порцелански надворешен изолатор, се импрегнира со масло под висок вакуум и се затвора. Воведните изолатори за висок напон од последните два вида се добро заштитени од пробив на атмосферска влага со специјални конструкции, слично на енергетските трансформатори. Тенденција е да се изведуваат херметички затворени или под зголемен притисок, каде што топлинските дилатации на маслото се решени со специјални технички решенија. Надзор над воведните изолатори. Исто како и енергетските трансформатори, и воведните изолатори треба редовно да се контролираат. Особено почесто, ако е напонот повисок. Ако во постројката има персонал, секои 2 3 дена, а ако нема персонал барем секој месец. Исто така и по секоја кратка врска во постројката. Посебно треба да се врши преглед при услови на магла, влага, загадување, смог. Надзорот е различен, зависно од номиналниот напон и конструкцијата, но секаде се бара визуелен преглед утврдување на целост на порцеланот, присуство на необичен шум од корона или вибрации, истек на компаундот или маслото. Ако има показно стакло за ниво на маслото, да се утврдува правилното ниво на маслото и сл. Кај воведните изолатори со посложена конструкција и за повисоки напони треба да се следи упатството на производителот (контрола на одушникот, мембраните, манометрите и сл.). Воведните изолатори за високи напони (110 kv и повисоки) подлежат и на редовни профилактички испитувања (отпор на изолацијата, фактор на загубите tgδ, парцијални празнења зависно од можностите, условите и упатството на производителот). Исто таска и термовизиска контрола на приклучните места за висок напон (јака струја). Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br

160 FEIT: Tehnika na visok napon 1; predavawa 2012g а) б) Сл Воведен изолатор за 35 kv за надворешна монтажа: 1 хартиено бакелитен стожер, 2 порцелански оклоп, 3 залив со компаунд, 4 фланец, 5 проводник Сл Воведни изолатори за номинален напон од 110 kv: а) со масло-бариерна изолација, б) со масло-хартиена изолација (овој има вградено струен трансформатор, поз. бр. 5 на сликата) Воведни изолатори за среден напон изведени од леана аралдитна смола со полнител кварцно брашно, ЕМО Охрид Qubomir Nikoloski: TVN - 1 Predavawe br