Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона

С учетом совокупности механизмов инициирования начальных электронов расширены возможности применения численного метода определения вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в устройствах высоковольтной аппаратуры с высокой напряженностью электрического поля (> 5 МВ/м). С использованием...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автор:	Дубовенко, К.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2007
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Техніка сильних електричних та магнітних полів
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142833
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона / К.В. Дубовенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 1. — С. 67-72. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142833
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1428332018-10-17T01:23:35Z Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона Дубовенко, К.В. Техніка сильних електричних та магнітних полів С учетом совокупности механизмов инициирования начальных электронов расширены возможности применения численного метода определения вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в устройствах высоковольтной аппаратуры с высокой напряженностью электрического поля (> 5 МВ/м). С использованием метода рассчитаны характеристики газовой изоляции в реальных компактных конструкциях малоиндуктивного разрядника и субмегавольтного генератора импульсных напряжений. З урахуванням сукупності механізмів ініціювання початкових електронів розширено можливості застосування чисельного метода визначення імовірнісних характеристик пробою газової ізоляції у пристроях високовольтної апаратури з високою напруженістю електричного поля (> 5 МВ/м). З використанням метода розраховано характеристики газової ізоляції у реальних компактних конструкціях малоіндуктивного розрядника та субмегавольтного генератора імпульсних напруг. Taking into account a set of initial electron generation mechanisms, applicability of a numerical method for breakdown probability characteristics calculation is widened for high-voltage apparatus gaseous insulation with high values of electric field strength (>5 MV∙m⁻¹). The characteristics of gaseous insulation in real compact designs of a low-inductance high-voltage gaseous switch and a submegavolt pulse voltage generator have been calculated with the method. 2007 Article Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона / К.В. Дубовенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 1. — С. 67-72. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142833 621.314 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техніка сильних електричних та магнітних полів Техніка сильних електричних та магнітних полів
spellingShingle	Техніка сильних електричних та магнітних полів Техніка сильних електричних та магнітних полів Дубовенко, К.В. Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона Електротехніка і електромеханіка
description	С учетом совокупности механизмов инициирования начальных электронов расширены возможности применения численного метода определения вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в устройствах высоковольтной аппаратуры с высокой напряженностью электрического поля (> 5 МВ/м). С использованием метода рассчитаны характеристики газовой изоляции в реальных компактных конструкциях малоиндуктивного разрядника и субмегавольтного генератора импульсных напряжений.
format	Article
author	Дубовенко, К.В.
author_facet	Дубовенко, К.В.
author_sort	Дубовенко, К.В.
title	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона
title_short	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона
title_full	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона
title_fullStr	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона
title_full_unstemmed	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона
title_sort	метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Техніка сильних електричних та магнітних полів
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142833
citation_txt	Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона / К.В. Дубовенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 1. — С. 67-72. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT dubovenkokv metodrasčetaveroâtnostnyhharakteristikproboâgazovojizolâciivvysokovolʹtnojapparaturesubmegavolʹtnogodiapazona
first_indexed	2025-07-10T15:51:33Z
last_indexed	2025-07-10T15:51:33Z
_version_	1837275753241116672
fulltext	Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №1 67 УДК 621.314 МЕТОД РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОБОЯ ГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ АППАРАТУРЕ СУБМЕГАВОЛЬТНОГО ДИАПАЗОНА Дубовенко К.В., к.т.н. Николаевский учебно-научный институт Одесского Национального университета им. И.И. Мечникова Украина, 54010, Николаев, ул. Мореходная 2а, НУНИ ОНУ им. И.И. Мечникова, кафедра "Вычислительная техника и информационные технологии" тел. (0512) 34-60-15, факс (0512) 50-03-83, e-mail: ppps@mksat.net З урахуванням сукупності механізмів ініціювання початкових електронів розширено можливості застосування чи- сельного метода визначення імовірнісних характеристик пробою газової ізоляції у пристроях високовольтної апара- тури з високою напруженістю електричного поля (> 5 МВ/м). З використанням метода розраховано характеристики газової ізоляції у реальних компактних конструкціях малоіндуктивного розрядника та субмегавольтного генератора імпульсних напруг. С учетом совокупности механизмов инициирования начальных электронов расширены возможности применения численного метода определения вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в устройствах высоко- вольтной аппаратуры с высокой напряженностью электрического поля (> 5 МВ/м). С использованием метода рас- считаны характеристики газовой изоляции в реальных компактных конструкциях малоиндуктивного разрядника и субмегавольтного генератора импульсных напряжений. ВВЕДЕНИЕ Создание компактных высоковольтных устано- вок и аппаратов с максимально допустимыми удель- ными характеристиками приводит к необходимости повышения напряженности электрического поля в узлах оборудования до значений, превышающих 5 МВ/м. Это особенно актуально для устройств с ра- бочими напряжениями выше 100 кВ, многоступенча- тых систем умножения напряжения до значений мега- вольтного уровня. В условиях, когда для функциони- рования рабочего узла установки необходим вакуум (транспортировка электронных и ионных пучков, ла- зерного луча), целесообразно применение вакуумной изоляции высоковольтного оборудования в единой системе вакуумирования его объема [1, 2]. В техноло- гических установках, предназначенных для генерации разрядов в сплошных средах, часто целесообразно использование газовой изоляции. Однако известно [3], что для развития газового разряда, в отличие от вакуумного пробоя, может оказаться достаточным лишь одного начального электрона, чтобы вызвать ионизационные явления. В этой связи разработка ме- тодов расчета характеристик электрической прочно- сти газовой изоляции является актуальной задачей. В работе [4] рассмотрен метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции (вероятности пробоя в зависимости от напряжения, напряжения пробоя, электрической прочности, разброса пробив- ных напряжений). В нем учтены неравномерность распределения электрического поля, вызванная кон- фигурацией разнопотенциальных поверхностей высо- ковольтной конструкции, шероховатость поверхности электродов, развитие ионизационных процессов, электрофизические свойства рабочего газа и материа- ла электродов. Применение метода для разработки высоковольтной коммутационной аппаратуры [4 - 6] показало согласие расчетов с экспериментальными результатами в полях с напряженностью < 5 МВ/м. Целью данной работы является совершенствова- ние метода расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в полях более высокой на- пряженности, характерных для работы установок и аппаратуры субмегавольтного диапазона. ОПИСАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА Численное моделирование характеристик элек- тростатического поля в высоковольтных устройствах в соответствии с методом выполняется в двумерном конечно-разностном приближении с использованием численного метода верхней релаксации [7] и кода [2], специально разработанного для решения внутренней краевой проблемы с учетом конструкции устройства с осевой симметрией и соответствующих условий на его границах. 0)()(1 = ∂ ∂ϕ ε ∂ ∂ + ∂ ∂ϕ ε ∂ ∂ zzr r rr , (1) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ϕ + ∂ ∂ϕ −=ϕ−= z z r rgradE . (2) Здесь r, z – радиальная и аксиальная координата, соответственно; ϕ - электрический потенциал; ε - ди- электрическая проницаемость; E – напряженность электрического поля. Шероховатость поверхности электродов приво- дит к усилению электрического поля вблизи микро- выступов. Она определяется характеристикой f(h), которая рассчитывается по результатам измерений всех микровыступов на контрольных участках по- верхности электрода после ее обработки и кондицио- нирования [4]. Полученные данные экстраполируются на всю площадь этой поверхности S0, так что f(h) = Sh / S0, где Sh - площадь, которую занимают микровыступы с высотой, большей, чем h. Так, при h = 0 значение Sh равняется S0 и f(h) =1. Аналогично при h > hm, (где hm - максимальная высота микровы- ступов) значение Sh равняется 0, тогда f(h) = 0. Усиле- 68 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №1 ние электрического поля вдоль оси микровыступа высотой hв учтено соотношением, полученным при аппроксимации его формы полуэллипсоидом [1] ( ) ( ) ( ) + ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − −= вв // //1 hchcarth hchcarthEhE ( ) μ⋅= ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ −− + E chchhchcarth /)1/)(//( 1 22 вв , (3) где с - половина расстояния между фокусами эллип- соида; μ - коэффициент усиления поля. В соответствии с численным методом рабочая поверхность с заданным потенциалом (электрод) площадью S0 разделяется на N участков каждая с площадью Sj (j = 1...N). Площадь участков мала на- столько, что напряженность электрического поля в пределах каждого из них можно считать неизменной. При этом должно выполняться соотношение ∑ = = N j j SS 1 0. (4) Тогда вероятность пробоя, развивающегося с j-го участка при напряжении U за промежуток времени dt, может быть определена выражением ),()(),( UqtdWtUdQ jjj ⋅= (5) где dWj(t) - вероятность появления электрона возле j-ого участка высокопотенциального электрода; qj(U) - вероятность пробоя в равномерном поле в ре- зультате появления электрона возле Sj участка. Первичная электронная лавина может образо- ваться в межэлектродном промежутке только за счет начальных электронов, которые находятся в его об- ласти непосредственно в момент подачи на него на- пряжения. Среднее количество свободных электро- нов, возникающих в единице объема газа в единицу времени за счет естественной радиации, составляет n0 ≈ 1012 м-3с-1 [3]. При напряженностях поля Е ≤ 5 МВ/м этот механизм генерации электронов на кондиционированных электродах является основным. В работе [4] показано, что применение метода расчета вероятностных характеристик пробоя приводит к рас- хождению с экспериментальными данными при зна- чениях напряжения близких напряжению прочности газовой изоляции. Там же выполнена количественная оценка таких расхождений. Анализ эксперименталь- ных данных и их теоретических обобщений, пред- ставленный в [8], свидетельствует о том, что взаимо- действие материала электродов с газовой средой во время разряда приводит к возникновению других ме- ханизмов инициирования начальных электронов. Так, на кондиционированных электродах в полях с напря- женностью Е >30 МВ/м преобладает эффект авто- эмиссии электронов с микроострий электродной по- верхности. При этом наблюдается тенденция совпа- дения кривых зависимостей тока эмиссии от напря- женности поля при различных давлениях и частотах и более крутой рост тока в зависимости от напряженно- сти электрического поля [8]. Плотность тока авто- электронной эмиссии определяется соотношениями [8] ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ππ = invinv eet T T T Tjj 2 sin 2 , (6) ( ) ( ) 5,05,028 Ψ ⋅ π = E kytm eh T p inv , (7) ( )[ ] ( ) ( )⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Θ Ψ ⋅ π −⋅ Ψ ⋅ π = μ μ y Eeh mE yth ej pp e 5,15,02 2 3 3 28exp 8 , (8) ( ) Ψ= μ 5,03Eey , (9) где je, jet - плотности тока эмиссии при абсолютном нуле и температуре T эмитирующей поверхности со- ответственно; Tinv - температура инверсии; hp - посто- янная Планка; k - постоянная Больцмана; Eμ=E⋅μ - напряженность электрического поля в точке, где воз- никает автоэлектронная эмиссия; e – заряд электрона; Ψ - работа выхода электрона из металла; Θ(y) - функ- ция Нордгейма. Тогда количество электронов, эмитированных с микровыступов рабочей поверхности за единицу вре- мени равно ( ) .1 0 '0 0 0 ∫∫ > == mhh et S hete dhhfj e S dSj e N (10) Объем межэлектродного промежутка равен ∑ ∑ = = == N j N j jjj hSVV 1 1 , (11) где Vj - элементарный объем межэлектродного про- межутка; hj - кратчайшее расстояние между электро- дами в пределах элементарных участков Sj. Тогда ко- личество электронов, образовавшихся в единице объ- ема в единицу времени равно .VNn ee = (12) Причем, из подтвержденной экспериментально теории Фаулера-Нордгейма известно [8], что функция вида ( ) ( )EfEne 1ln 2 = (13) является прямой линией. При напряженности Е < 30 МВ/м электронный ток с микроострий резко снижается и в диапазоне 5 ≤ Е ≤ 30 МВ/м существенными оказываются иные механизмы образования начальных электронов. Так, образование на катоде диэлектрических пленок окси- дов, нитридов и т.д. и вкраплений в виде сжиженных соединений веществ приводит к эмиссии электронов с катода сквозь них в область межэлектродного проме- жутка. Причиной этого эффекта является образование на поверхности диэлектрика избыточного положи- тельного заряда при бомбардировке катода электро- нами, облучении, оседании ионов на пленку. Еще од- ним механизмом инициирования электронов является адсорбция газов на поверхности электродов. Этот ме- ханизм проявляется двояко. С одной стороны адсор- бированные слои приводят к изменению (повышению или понижению в зависимости от состава газа) рабо- ты выхода материала электрода. С другой стороны, присутствие отрицательных ионов может вызвать инициирование разряда вследствие их десорбции с Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №1 69 катодной поверхности или в результате отрыва элек- трона от отрицательного иона. Эти механизмы обра- зования начальных электронов действуют одновре- менно. При этом на значение тока электронов влияние оказывают состав газа, частота повторения импуль- сов, давление. Анализ экспериментальных данных ряда работ, представленный в [8] показал, что и в диапазоне значений 5 ≤ Е ≤ 30 МВ/м зависимость (13) также является прямой линией, но имеет другой на- клон. Это позволяет аппроксимировать зависимость (13) прямой между асимптотическими значениями nе = n0 при Е1 ≈ 5 МВ/м и nе, рассчитанному с исполь- зованием соотношений (6)–(12) для Е2 ≈ 30 МВ/м. Влияние частоты повторения импульсов F и давления газа p учитывается умножением значений nе для Е1 ≤ Е ≤ Е2 на коэффициент, полученный в данной работе обработкой экспериментальных данных для F =10…30 Гц, p = 0.05…0,5 МПа ( ) ( ) 15,0 1 4,0 1 )1,0( 125,0 +− ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⋅+= EEZ p baFk . (14) Для воздуха, например, а = 0,04; b = 0,25; Z = 1,4. В выражениях (7)–(9) учтено определенное в [8] на основании экспериментальных данных увеличение работы выхода Ψ в электроотрицательных газах. В объеме, заполненном электроотрицательным газом, из-за эффекта прилипания количество началь- ных электронов меньше в g раз [3]. Значение коэффи- циента g(E/p) зависит от соотношения коэффициентов ионизации α(E/p) и прилипания η(E/p) ( ) ( ) ( )[ ] ( )pEpEpEpEg αη−α= , если α > η, ( ) 0=pEg , если α ≤ η. (15) Усиление электричеcкого поля у микровыступа означает, что при подъеме напряжения электронная лавина может образоваться лишь из области, которая прилегает к нему, и высота этой зоны увеличивается с увеличением напряжения. Потому общее количество эффективных электронов, появляющихся в пределах участка Sj в единицу времени и которые могут при- вести к образованию лавины, вычисляется интегриро- ванием по hj ( ) . 0 0 ∫⋅+= jh jjej dhgSnnN . (16) Тогда вероятность появления эффективного электро- на в пределах участка за время dt будет равна ( ) . 0 0 dtdhgSnndtNdW jh jjejj ⋅⋅+== ∫ (17) Для анализа вероятности пробоя необходимо привлечь критерий пробоя, полученный на основе детерминированной модели анализа физических про- цессов. В данном случае учтена возможность реали- зации пробоя в соответствии с таунсендовским и стримерным механизмами [3]: ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )∫ =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ γ⋅α η−α ≥η−α d jj K d dddxxx 0 ,ln (18) ( ) ( )( ) .ln 0 кр∫ =≥η−α d сjj KNdxxx (19) Здесь d – длина пути лавины между электродами; x – расстояние, которое прошла лавина в поле; γ - второй ионизационный коэффициент Таунсенда; K – кон- станта, которая для разных материалов электродов и газов находится в диапазоне 3 ≤ К ≤ 9. Аналогично, Кс = ln(Nкр) = 13,8…18,5. Как показано в [4], для анализа вероятностных характеристик пробоя в сильнонеоднородных полях может оказаться целесообразным применение и дру- гих детерминированных критериев пробоя, например, полученных на основе решения численной модели пробоя в диффузионно-дрейфовом приближении, с использованием теорий Лозанского и Фирсова, Дау- сона и Вина. Преимущества и недостатки детермини- рованных теорий пробоя рассмотрены в [9]. Приме- нение того или иного критерия не влияет на суть ме- тода расчета вероятностных характеристик пробоя в газах, но может повлиять на точность результатов в сильнонеоднородных полях, например, когда в силь- ном поле между электродами присутствует или воз- никает область с напряженностью, недостаточной для ионизации электронным ударом. Если при заданном напряжении распределение электрического поля с учетом его усиления в окрест- ности микровыступов высотой h таково, что соотно- шение (18) не выполняется, вероятность развития пробоя с этого участка равна нулю, то есть .0)( =Uqj (20) Однако в то же время значение qj(U) может быть от- личным от нуля для других участков, где напряжен- ность неоднородного поля выше при той же величине напряжения. Вероятность пробоя qj, развивающегося с Sj уча- стка электродной поверхности, может быть вычисле- на с учетом следующих соображений. При появлении свободного электрона возле поверхности электрода вероятность того, что он окажется именно возле уча- стка Sj, равна отношению Sj/S0. Но процесс образова- ния лавины этим электроном может привести к про- бою только тогда, когда электрон будет возле микро- выступа с высотой больше hmin, при которой выпол- няются условия пробоя. Общая площадь микровыступов участка j с вы- сотой, большей чем hmin определяется выражениями характеристики шероховатости электродов f(h). Это значит, что ( ) .)( 0 min S S hfUq h j == (21) Таким образом, значение dQj(U) в (5) рассчиты- вается в ячейках разностной сетки как ( ) .)()()( 0 0 dtUqdhgSnnUqdWUdQ j h jjtjjj j ⋅⋅+=⋅= ∫ (22) Тогда в дифференциальном виде соотношение вероятности пробоя для всего устройства может быть записано в виде 70 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 70 80 90 100 110 ( ) ∑ ∫ ⋅⋅+ N j= j h jje (U)dt.qdhgSnndQ(U,t)= j 1 0 0 (23) Если устройство испытывается k0 раз при напря- жении U и к моменту t каждого испытания развитие пробоя с участка Sj состоялось в k случаях, а в K = k0 - k испытаниях пробой не состоялся, то вероят- ность пробоя за промежуток времени dt для следую- щего испытания будет равна ./ - = / = ),( KdKKdktUdQ j (24) Учитывая (23) и (24) и интегрируя (24) в интер- валах от t = t0 до t = T и от k0 до K соответственно можно получить ( ) .)(exp 0 N 1=j 0 00 ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅+−= ∫∑ ∫ T t j h jje dtUqdhgSnnkK j (25) Таким образом, вероятность пробоя за время t при напряжении U равна ( ) == 0), kktUQ ( ) ( ) .exp1 0 1 0 ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅+−−= ∫ ∑ ∫ = T t N j h jjje j dtUqdhgSnn (26) Если U = U(t), тогда dt = dU/U’ и U’ = dU/dt. То- гда в конечном счете вероятность пробоя как функ- цию U можно представить в виде ( ) ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅+−−= ∫ ∑ ∫ U U j h jje dU U Uq dhgSnnUQ j 0 N 1=j ' 0 0 )( exp1)( , (27) где U0 - значение напряжения в момент t0. Ниже представлены примеры применения мето- да для расчета устройств с высокой напряженностью поля в объеме газовой изоляции. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОБОЯ МАЛОИНДУКТИВНОГО РАЗРЯДНИКА В генераторах импульсных напряжений высокое напряжение на нагрузке обеспечивается за счет пере- ключения отдельных модулей емкостных накопите- лей из состояния параллельного соединения в после- довательное высоковольтными разрядниками. Такие генераторы нашли широкое применение для создания электрических разрядов в сплошных средах, генера- ции пучков заряженных частиц, лазерного и микро- волнового излучения. Одним из основных требова- ний, предъявляемым к разрядникам [10], является обеспечение низких значений собственной индуктив- ности для переключения конденсаторов с малыми временными задержками (< 10 нc). В работе [11] предложена конструкция компактного разрядника (рис. 1, а) для генератора импульсных напряжений с высокой плотностью запасаемой энергии. На рисунке обозначено: 1, 2 – профилированные электроды; 3 – твердый диэлектрик; 4 – объем камеры, заполненный элегазом. Малая собственная индуктивность разряд- ника достигается за счет большой площади поверхно- сти электродов диаметром 0,12 м и малого межэлек- тродного промежутка, длина которого составляет 3 мм. В области разрядной камеры и электродов вы- сота разрядника не превышает 10 мм. Для обеспечения высоких значений напряжения пробоя (80…100 кВ) при малых межэлектродных рас- стояниях разрядная камера заполнялась элегазом по- вышенного давления (0,45…0,65 МПа). Вся область между электродами за пределами разрядной камеры заполнена электрически более прочной, чем элегаз твердой изоляцией. Профиль разрядной камеры обес- печивал значения напряженности электрического по- ля в тройных точках (газ – твердый диэлектрик – ме- талл) более низкие, чем порог пробоя межэлектродно- го промежутка или развития разряда по поверхности твердого диэлектрика. Рис. 1. Конструкция (а), распределение электрического поля (б) и зависимость вероятности пробоя от напряжения (в) компактного малоиндуктивного разрядника Геометрические параметры компактного разряд- ника, экспериментальные результаты зависимостей напряжения пробоя от давления, значения напряже- ний пробоя в серии последовательных импульсов, анализ состояния поверхности электродов и количе- ственная оценка эрозии электродов, полученные в [11], использовались в данной работе для расчета ве- роятностных характеристик пробоя разрядника. Распределение напряженности электрического поля в разрядной камере элегазового комутатора при U = 90 кВ изображено на рис. 1, б. Величины напря- женностей у изолиний показаны относительно мак- симального значения Em = 33,3 МВ/м. Расчетная зави- симость вероятности пробоя от напряжения, при дав- лении элегаза 0,45 МПа представлена на рис. 1, в, кривая 2. Для сравнения на этом же рисунке изобра- жена зависимость (кривая 1), построенная по экспе- 0.7 0.6 0.8 0.9 0.85 б) а) 1 2 3 4 U, кВ Q 1 2 в) Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №1 71 риментальным данным работы [11]. Зависимость ве- роятности пробоя от времени позволяет получить и другие основные вероятностные характеристики про- боя: напряжение пробоя (напряжение при Q = 0,5), разброс значений пробивных напряжений, электриче- скую прочность газовой изоляции. Напряжение про- боя разрядника по результатам численного моделиро- вания и экспериментальным данным составляют 90,1 кВ и 88,8 кВ соответственно. Аналогично, раз- брос напряжений пробоя равен 31 кВ и 27 кВ. Проч- ность газовой изоляции в межэлектродном промежут- ке определяется расчетным значением напряжения 72 кВ и величиной напряжения 75 кВ, полученной экспериментально в работе [11]. В целом, результаты моделирования хорошо согласуются с эксперимен- тальными данными ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Силовой блок генератора импульсных напряже- ний (рис. 2) представляет собой девятисекционную цилиндрическую колонну. Ее секции 1 выполнены в виде металлических оболочек, внутри которых уста- новлены конденсаторы ступеней генератора. Секции разделены кольцевыми полиэтиленовыми изолятора- ми 2, обеспечивающими также герметичность колон- ны. Колонна смонтирована на верхней крышке 3 ци- линдрического корпуса 4, служащего обратным токо- проводом. Секции и корпус изготовлены из нержа- веющей стали. Между нижней, наиболее высокопо- тенциальной секцией блока и нижней крышкой 5 ци- линдрического корпуса соосно установлен экран 6, заканчивающийся торообразной поверхностью 7. Объем между колонной и корпусом заполняется га- зом, служащим высоковольтной изоляцией. Измене- нием размеров, положения, формы и потенциала эк- рана можно изменять напряженность электрического поля в объеме газовой изоляции. Рис. 2. Силовой блок генератора импульсных напряжений В конструкции генератора импульсных напря- жений реализованы основные результаты работы [10]. Вариант генератора с вакуумной изоляцией разрабо- тан и изготовлен совместно Институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины и Институтом сильноточной электроники СО РАН [2]. Расчет электрического поля выполнялся для все- го объема силового блока генератора. Распределение поля в области девятой секции, характеризующейся наибольшими значениями напряженности, представ- лено на рис. 3. Здесь обозначения элементов конст- рукции генератора те же, что и на рис. 2. Максималь- ное значение напряженности составляет 20 МВ/м у тороидальной поверхности экрана. Относительно этой величины указаны значения напряженности у изолиний, изображенных на рисунке. Шероховатость поверхности секций задавалась функцией, представ- ленной в [4] и соответствующей реальному распреде- лению микровыступов после обработки и подготовки разнопотенциальных поверхностей. Рис. 3. Распределение напряженности электрического поля в области девятой секции силового блока генератора На рис. 4 представлены полученные зависимости вероятности пробоя от напряжения при различных давлениях воздушной и элегазовой изоляции. Рис. 4. Зависимости вероятности пробоя для воздушной (а) и элегазовой (б) изоляции генератора Влияние параметров экрана генератора импульс- ных напряжений (радиуса торообразной поверхности p=0.2MПa p=0.4MПa p=0.6MПa p=0.8MПa p =10MПa 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0.60 1.10 1.60 p=0.2 MПa p=0.3MПa p=0.4MПa p=0.5MПa p=0.6MПa Q U, МВ 0,6 1,1 U, МВ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Q 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 U, МВ а) б) Q 0,8 0,6 0,4 0,2 0 72 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №1 rэ, расстояния d от экрана до нижней крышки бака) на напряженность электрического поля в объеме силово- го блока изучалось в [2]. В данной работе применение метода расчета позволяет выполнить анализ влияния расположения и размеров экрана на вероятностные характеристики пробоя газовой изоляции. Так, на рис. 5, а (кривые 1–5) изображены зависимости веро- ятности пробоя газовой изоляции генератора (смесь азот N2 – элегаз SF6 в соотношении 0,75 : 0,25) при различных давлениях смеси и параметрах экрана d и rэ, указанных на рис. 2: 1 – d = 0,15 м, rэ = 0,015 м, р = 0,1 МПа; 2 – d = 0,15 м, rэ = 0,015 м, р = 0,2 МПа; 3 – d = 0,15 м, rэ = 0,01 м, р = 0,3 МПа; 4 – d = 0,15 м, rэ = 0,015 м, р = 0,3 МПа; 5 – d = 0,09 м, rэ = 0,015 м, р = 0,3 МПа. Рис. 5. Зависимости вероятности пробоя от параметров экрана (а) и напряжения пробоя от параметров, определяю- щих шероховатость высокопотенциальной поверхности (б) Требования к чистоте обработки высокопотенци- альной поверхности могут быть сформулированы на основании результатов, представленных на рис. 5, б, где показаны зависимости напряжения пробоя для различных значений коэффициента усиления поля μ и разных максимальных значений высот микровысту- пов для заданной шероховатости поверхности. Ре- зультаты свидетельствуют о том, что надежная работа газовой изоляции генератора под напряжением 1 МВ может быть достигнута для смеси газа азот – элегаз в соотношении (0,75 : 0,25) при давлениях 0,4 МПа и выше, если размеры микровыступов на тороидальной поверхности экрана не будут превышать 30 мкм, а коэффициент усиления поля микровыступами будет иметь значения μ < 20. ВЫВОДЫ Таким образом, в работе обобщен метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоля- ции [4] на случай полей со значениями напряженно- сти выше 5 МВ/м, когда на характеристики пробоя оказывает влияние совокупность механизмов иниции- рования свободных электронов в межэлектродном промежутке, связанных с образованием диэлектриче- ских включений, адсорбцией газа у поверхности элек- тродов, автоэлектронной эмиссией электронов с мик- роострий. ЛИТЕРАТУРА [1] Cливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 256 с. [2] Дубовенко К.В. Влияние экранирования на электриче- скую прочность компактного субмегавольтного гене- ратора импульсных напряжений с вакуумной изоляци- ей // Техническая электродинамика. – 2000. - № 4. – С. 8–13. [3] Техника высоких напряжений: теоретические и прак- тические основы применения / Бейер М., Бек В., Мел- лер К., Цаенгль В.– М.: Энергоатомиздат, 1989.– 555 с. [4] Дубовенко К.В. Моделювання імовірності пробою газової ізоляції високовольтних пристроїв систем імпульсної електроенергетики // Технічна електроди- наміка. – 2006. - № 2. – С. 15–22. [5] Dubovenko K.V., Kurashko Yu.I. The Design, Fabrication and Testing of a Closing Switch for Compact Electrical Discharge Industrial Equipment // 11th IEEE Intl Pulsed Power Conf. Digest of Technical Papers. Baltimore, Mary- land, USA.– 1997, vol. 2. – PP. 868–874. [6] Дубовенко К.В., Курашко Ю.И., Швец И.С. Анализ вероятностных характеристик пробоя компактного высоковольтного разрядника с газовой изоляцией // Труды 3-ей междунар. конф. "Электрическая изоляция – 2002" (ICEI 2002).– СПб.: Нестор, 2002.– С. 370–372. [7] Ильин В.П. Численные методы решения задач элек- трофизики. – М.: Наука, 1985. – 334 с. [8] Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрыв- ные процессы в газовом разряде. – Новосибирск: Нау- ка, 1982. – 254 с. [9] Александров А.Л., Базелян А.Э., Базелян Э.М. и др. Моделирование длинных стримеров в газе атмосфер- ного давления // Физика плазмы. – 1995, т. 21, № 1. – С. 67–80. [10] Ковальчук Б.М., Кремнев В.В. Генераторы Аркадьева- Маркса для сильноточных ускорителей / Физика и техника мощных импульсных систем. – М.: Энерго- атомиздат, 1987. – С. 165–179. [11] Goerz D.A., Wilson M.J., Speer R.D. A Low-Profile High-Voltage Compact Gas Switch // 11th IEEE Intl Pulsed Power Conf. Digest of Technical Papers. Balti- more, Maryland, USA.– 1997, vol. 1. – PP. 328–333. Поступила 02.09.2006 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 43 5 U, МВ Q 0,2 0,4 0,6 U, МВ Q 0,8 0,6 0,4 0,2 0 а) 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 0 0 2 0 4 0 6 0 hm a x = 3 ⋅1 0 -6м h m a x = 3 ⋅1 0 -5м β U , 1 0 6В 20 40 μ U, МВ 2,0 1,5 1,0 0 б)

Метод расчета вероятностных характеристик пробоя газовой изоляции в высоковольтной аппаратуре субмегавольтного диапазона

Репозитарії

Схожі ресурси