УДК:621.315.615.2:621.3.015.51
ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ. ДИНАМИКА ЯВЛЕНИЙ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЯ И УМЕНЬШЕНИИ СТЕПЕНИ НЕОДНОРОДНОСТИ ПОЛЯ. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ © 2011 г. Ю. В. Торшин
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт", Государственный научный центр РФ (ФГУПГНЦВЭИ), Москва
Поступила в редакцию 06.11.2008 г.
Статья является продолжением работы [1], посвященной изучению лидерного процесса в минеральном масле. Существенно расширены пределы изменения амплитуды воздействующего напряжения и распределения поля в промежутке. Открыты новые элементы структуры и закономерности развития лидера, получены новые объяснения физической сущности некоторых эмпирических зависимостей, показана возможность прогнозирования пробивного напряжения жидкости на основании характеристик предразрядных явлений.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] было указано, что изучение лидерного разряда в жидкости находится на начальной стадии своего развития, а имеющиеся данные характеризуются фрагментарностью, неопределенностью и неполнотой. Поскольку единственным способом получения доказательств существования лидерного процесса являются прямые экспериментальные исследования, потребовалось систематическое целенаправленное изучение закономерностей этого явления в значительном интервале изменения экспериментальных параметров. Помимо получения общей картины явления в работе впервые была поставлена и решена задача по поиску связи между обнаруженными физическими закономерностями развития лидера и практически значимым предсказанием основной характеристики жидкой изоляции — ее пробивного напряжения. Это оказалось возможным благодаря выявлению ключевого звена лидерного процесса, связанного с формированием его первой ступени и определением ее основных характеристик. Прогнозные данные по импульсному пробивному напряжению трансформаторного масла для ограниченных условий лабораторного эксперимента с удовлетворительной точностью совпали с известными литературными данными, полученными с помощью испытаний для промышленных объемов этой жидкости. Результаты работы подтверждают корректность выбранных целей и методов изучения механизма пробоя диэлектрической жидкости, что указывает на их перспективность применения в данной отрасли знания.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В данной работе использовалась методика эксперимента и оборудование, описанные в [1]. Отличительной особенностью работы явилось проведение исследований в жидкостных промежутках с умеренным и квазиоднородным полем (при уменьшении /-фактора вплоть до значений / = = 1.8—2, характерных для промежутков реальных высоковольтных аппаратов).
Динамика развития и характеристики канала разряда в масле в резко неоднородном поле (РНП) при и> ЦшП.Ьг. Исследования проведены в базовом масляном промежутке игла (радиус вершины — 3 х х 10-5 м) — плоскость (диск радиусом 3.5 х 10-2 м с закругленными краями) при длине промежутка 2.75 х 10-2 м и характерных значениях пробивного напряжения, существенно превышающих как минимальное (итщ.Ьг), так и пятидесятипроцентное (и50, при котором пробои происходят в 50% случаев приложения напряжения).
При увеличении напряжения от ит1п.Ьг до и50 и выше происходило следующее. Увеличивались вероятность каждой из перечисленных в [1] стадий, число каналов, интенсивность их свечения и радиус, скорость, ток, усложнялась пространственная структура. Сокращалось время существования каждой из стадий разряда, увеличивалось число каналов одновременно достигающих катода. Пробой промежутка всегда происходил немедленно после касания каналами катода.
Резко увеличивалась интенсивность и длительность локального светоизлучения в зоне у
Рис. 1. Динамика неустойчивого лидера в базовом масляном промежутке игла — плоскость (радиус вершины иглы — 3 х 10-5 м, длина промежутка — 2.75 х 10-2 м); (а) — осциллограмма тока, развертка — 2 х 10~6с, 0.0125 А/дел, и = = 104 кВ; (б) — фотохронограмма разряда (соответствует осциллограмме (а)), общая длительность свечения — 5 х 10-6 с, длительность вспышечной стадии — 0.54 х 10-6 с, средняя скорость развития разряда — 3.34 х 103 м/с; (в) — фотохронограмма развития разряда, и = 149 кВ, общая длительность свечения — 8 х 10-6 с, длительность вспышечной стадии — 3.25 х 10-6 с, средняя скорость развития разряда — 4 х 103 м/с; (г), (д) — статические электронно-оптические снимки зоны разряда, экспозиция — 2.25 х 10-6 с, длина зоны — 7.5 х 10-3 м (г) и 9 х 10-3 м (д), (г) соответствует (а) и (б), (д) — (в); (е) — шлирен-снимок зоны разряда через 1.8 х 10-6 с после зажигания разряда, экспозиция — 8 х 10-9 с, и = 104 кВ; (ж) — фотохронограмма разряда при хаотичном возникновении вспышек, и = 128 кВ, длительность свечения — 1.5 х 10-5 с; (з) — статический электронно-оптический снимок зоны разряда через 6.6 х 10-6 с после зажигания разряда, и = 104 кВ.
вершины иглы (рис. 1г, 1д). Это приводило к возникновению неустойчивого (затухающего через некоторое время после возникновения, рис. 1б, 1в) и устойчивого (продолжающегося вплоть до пробоя, рис. 2в) лидерного процесса в этой зоне.
Развитие неустойчивого лидера (рис. 1б, 1в) сопровождается его вырождением через некоторое время. В дальнейшем либо разряд развивается в виде нескольких каналов с относительно низким светоизлучением (рис. 1б—1д, 1з), либо по следу вырожденных лидеров могут вновь возоб-
новиться вспышки еще до наступления перекрытия и пробоя промежутка (рис. 1ж). Фрагмент последней формы разряда (возникновение повторных вспышек лидера, идущих по следу каналов с низким светоизлучением) соответствует приведенному в [2] двухстадийному механизму лидер-ного разряда (развитие лидера от иглы по следу первичного канала). Однако наблюдаемые хаотичные вспышки, идущие по следу вырожденного лидера, не являются устойчивой и воспроизводимой формой пробоя. Этот один из частных слу-
Рис. 2. Общая картина самораспространения лидера в базовом промежутке при перенапряжении; (а) — осциллограмма импульса высокого напряжения (верхний луч) и предразрядного тока (развертка — 10—6 с/дел., 0.05 А/дел.; (б) — статический электронно-оптический снимок разрядной зоны, одновременный с осциллограммой (а), длина зоны разряда — 18.3 х 10-3 м, экспозиция кадра —3.75 х 10—6 с; (в) — фотохронограмма развития лидерного процесса, одновременная с (а) и (б), длительность вспышечной стадии — 4.1 х 10—6 с, длина канала в момент последней вспышки — 19.2 х 10-3 м; (г) — шлирен-картина разрядной зоны, длина — 10-2 м, экспозиция кадра — 10—8 с. Снимок (г) получен в тех же условиях, что и (а)—(в), но в другом опыте.
чаев многочисленных форм развития разряда в масле не дает оснований для вывода о существовании двухстадийной формы пробоя, как фунда-мен-тального свойства разряда в масле в данном случае.
Сложная пространственная структура неустойчивого лидера не позволяет достаточно просто и надежно (как в случае развития моноканала) провести оценки его характеристик. С некоторым приближением (для случая на рис. 1) разряд может
характеризоваться следующими средними показателями: Еет = 5 х 104 В/м, ¥еу = 3 х 103 м/с, 1ет = = 0.015 А, /ет = 1.2 х 106 А/м2 (при Д^ = 40 мкм и I = 10 мА), N = 4.4 х 1020 м-3, декремент удлинения канала за одну вспышку — около 0.3 мм, частота вспышек уменьшается с момента инициирования разряда от 12 МГц до 2.5 МГц.
Самораспространение лидера с вершины иглы с момента зажигания до пробоя промежутка на-
блюдается при Ееу = 6.5 х 105 В/см (рис. 2). Однако в случае рис. 2в характер развития канала нельзя назвать устойчивым из-за увеличения временной паузы между вспышками по мере развития разряда (уменьшения частоты вспышек с 7 до 2 МГц). Скорость для этого случая также не постоянна, а изменяется с течением времени (от 4.5 х 103 до 8.5 х 103 м/с, а в конце развития разряда снова уменьшается до 5 х 103 м/с). Эта форма разряда является граничной между неустойчивой и устойчивой формами и представляет собой наиболее интересный случай, требующий более подробного изучения.
Появлению излома вначале фотохронограммы (рис. 2г) соответствует шлирен-снимок (рис. 2в). В этот момент около иглы формируется область приблизительно сферической формы радиусом около 2 х 10—3 м, из которой развивается лидер-ный канал (или два канала, как на рис. 2в). Заметим, что на однокадровом электронно-оптическом снимке (рис. 2б) существование сферической зоны не обнаруживается.
Сферическая зона (СЗ) состоит из отрезков лидерных каналов с высокой интенсивностью светоизлучения, а основной лидер (указан стрелкой на рис. 2в) развивается как продолжение одного из каналов этой зоны. Это может привести к выносу на границу СЗ потенциала, близкого к потенциалу электрода и к перераспределению поля в промежутке. Оценки поля с учетом объемного заряда СЗ показывают, что первоначальное резко неоднородное поле (/ = 375) в результате возникновения разряда преобразуется в умеренно неоднородное поле (/ = 12). Можно предположить, что относительно устойчивый лидер в масле будет существовать в промежутках, где исходное значение / = 12. Результаты специальных исследований, которые приведены ниже (рис. 3) подтверждают это предположение.
Лидерный канал (рис. 2в, 2г, рис. 3г—3е) состоит из основного канала с интенсивным светоиз-лучением, боковых ветвей (здесь интенсивность светоизлучения существенно меньше) и кистевидных образований радиусом (0.7—1.2) х 10—3 м (на рис. 3д они обведены рамкой и указаны стрелками), содержащих около 20 тонких каналов радиусом (3—6) х 10—6 м, расходящихся в пространстве почти под прямым углом (на электронно-оптических снимках они не фиксируются). Характерная длина кистевидных образований (около 10—3 м) соответствует декременту удлинения канала (рис. 2г). Следовательно, удлинение канала за вспышку происходит на длину кистевидных образований. Это позволяет рассматривать эти образования в качестве зоны ионизации, где осуществляется предварительная наработка вещества и происходит последующее формирование по следу этой зоны нового отрезка лидерного кан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.