РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
, ,
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОННЫХ РАЗРЯДОВ
Часть I
Методические указания
Ростов – на – Дону
2006
УДК 621.3.027.3 : 537.5(07) + 06
Соловьев, Г. Е.
Исследование коронных разрядов. Часть I: Методические указания /, , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2006. – 10с.: исп. Библиогр.: 5 назв.
Методические указания к лабораторной работе «Исследование коронных разрядов» содержат краткий теоретический материал, некоторые графические звисимости, методику изучения короны, задание к лабораторной работе и ряд контрольных вопросов.
Указания составлены в соответствии с программой курса «Электрофизика и техника высоких напряжений» и одобрены к изданию кафедрой ТОЭ РГУПС.
Предназначены для студентов электротехнических специальностей.
Рецензент: канд. техн. наук, доц. (РГУПС)
Учебное издание
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОННЫХ РАЗРЯДОВ
Часть I
Методические указания
Редактор
Корректор
Подписано в печать 28.12.06 формат 60Ч84/16.
Бумага газетная. Ризография. Усл. Печ. Л. 0,58.
Уч.-изд. Л. 0,79. тираж 60 экз. Изд. № 000. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского стрелкового Полка народного Ополчения, 2.
© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2006
Содержание
1 Цель работы
2 Коронные разряды
3 Общие сведения
4 Положительная корона
5 Вольт-амперная характеристика короны
6 Задание
Таблица
Контрольные вопросы
Библиографический справочник
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью лабораторной работы является изучение физических явлений, происходящих при коронном разряде, основных характеристик разряда и приобретение навыков работы с электрооборудованием при высоких напряжениях.
2 КОРОННЫЕ РАЗРЯДЫ
Коронные разряды являются незавершенной формой пробоя межэлектродного газового промежутка.
При работе различных высоковольтных электроустановок в межэлектродных электрических газовых промежутках, в зависимости от формы электродах, могут формироваться равномерные, слабонеравномерные и резконеравномерные электрические поля. Степень неравномерности электрического поля характеризуется коэффициентом неравномерности:
,
где 
– максимальная напряженность электрического поля;
– средняя или номинальная напряженность электрического поля.
Резконеравномерным считается электрическое поле, при котором К > 4.
3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Окружающий нас воздух состоит из большого количества электрически нейтральных молекул, находящихся в постоянном хаотическом движении. Отсутствие свободных электрических зарядов в газах делает его диэлектриком с достаточно высокими характеристиками. При этом необходимо отметить, что воздух присутствует в большинстве электротехнических устройств и установок в качестве электрической изоляции. В этой связи сохранение воздухом (газом) диэлектрических свойств или их потеря, наступающая при том или ином виде электрического разряда, представляют существенный практический интерес. Кроме этого в воздухе, окружающем поверхности твердых диэлектриков или находящемся в структуре твердых и жидких диэлектриков в виде примесных включений, под воздействием внешнего электрического поля могут протекать электрофизические явления, приводящие к некоторым видам разрядов в этих газовых включениях и нарушению электрической прочности всего диэлектрического устройства.
Изучение и моделирование процессов, протекающих в газах, в полях высокой напряженности, дает возможность получить более глубокие и полноценные сведения о явлениях, протекающих в сложных диэлектрических структурах.
Атмосферный воздух по своему составу представляет собой достаточно сложную композицию, состоящую из различных ионов. Электрические заряды в воздухе образуются под воздействием различных ионизаторов, которые сообщают молекулам и атомам газа дополнительную энергию, достаточную для отщепления электрона. Образовавшиеся в газе электрические заряды обуславливают его проводимость. Степень проводимости газового диэлектрика будет в значительной степени зависеть от степени его ионизации.
Основой для изучения механизма разрядов в газах в поле высокой напряженности является изучение движения электронов и ионов в газе и сопровождающих их явлений – ионизации газовых молекул, диффузии зарядов, рекомбинации и пр. Рассмотрим поведение газообразных диэлектриков в поле высокой напряженности.
В газах, находящихся в состоянии теплового равновесия, микрочастицы структуры газа движутся хаотично по всем направлениям. Скорости газовых молекул подчиняются максвеловскому распределению, которое устанавливается в результате частых соударений молекул структуры газа, а длины свободных пробегов молекул и число их соударений распределяются по закону теории вероятностей. Эти величины изменяются во времени в зависимости от температуры и давления газового диэлектрика. Таким образом, средняя кинетическая энергия газовых микрочастиц не зависит от их природы, а зависит в основном от температуры.
Если в газе присутствуют электроны или ионы, то при тепловом равновесии с газом они будут обладать той же средней энергией, что и молекулы газа. При наложении внешнего поля электроны и ионы под воздействием этого поля получают направленное движение и дополнительное ускорение. В результате столкновений микрочастиц, имеющих место в газах, заряженные частицы передают молекулам часть своей энергии, приобретенной за счет воздействия электрического поля, вследствие этого увеличивается средняя скорость неупорядоченного движения газовых молекул. Таким образом повышается общая температура газа за счет действия приложенного внешнего электрического поля.
Благодаря составляющей скорости направленного движения заряженных микрочастиц скорость их хаотического, максвеловского движения также будет больше скорости движения молекул, т. е. температура газа, состоящего из заряженных микрочастиц, будет в электрическом поле выше средней температуры всего газа. Необходимо отметить, что так как при столкновениях электроны передают очень незначительную часть своей энергии, то при этом они и теряют меньше энергии, чем ионы. Поэтому температура электронного газа будет выше температуры ионного газа.
Если же газ состоит из смеси электронов и ионов, то средняя длина свободного пробега (л) электронов, согласно кинетической теории газов, определяется зависимостью:
,
где r1 и r2 – радиусы соответственно электронов и ионов,
n – концентрация ионов в структуре газа.
Следует заметить, что зависимость справедлива в том случае, когда количество электронов незначительно и является малой примесью в объеме тяжелых малоподвижных ионов, при этом средняя длина свободного пробега является величиной обратно пропорциональной числу легких микрочастиц в единице объема
,
где Р – давление газа;
А – коэффициент, зависящий от размеров и скорости сталкивающихся микрочастиц, а следовательно, от их температуры.
4 ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ КОРОНА
Коронный разряд начинается около острия (рис. 1).
При этом образуются в основном положительные ионы и свободные электроны. За счет эффекта Роговского в зоне, где Е=Екр, образуется объемное положительное заряженное облако. Это облако несколько снижает напряженность поля около острия и увеличивает ее между диском и облаком. В результате этого в некоторых местах облака возникает усиленная ионизация и начинают прорастать стримеры (электропроводные каналы). Это называется стримерной формой развития разряда. Когда стример прорастает достаточно далеко, промежуток пробивается и возникает дуга.
Наличием стримеров объясняется образование в некоторых случаях искровых или кистевых разрядов. Искровой разряд представляет собой ярко светящиеся искры, которые, не долетая до диска, затухают. Эта неустойчивая форма разряда объясняется неустойчивостью стримеров и возникает непосредственно перед дуговым разрядом. Кистевые разряды имеют ту же природу, но представляют собой целые кисти искр.
Описанные эффекты сильно снижают пробивное напряжение, содействуют развитию короны; поэтому такая корона часто называется саморазвивающейся.
Электрические разряды, протекающие в газах при высоких значениях напряженности электрического поля, по своей природе и структуре представляют собой достаточно сложные электрофизические явления, процессы в которых меняются практически в каждое мгновение, и в этой связи физическое моделирование и изучение таких явлений, возникающих в реальных практических высоковольтных электроустановках, представляется достаточно важной и актуальной задачей.
Одним из наиболее часто встречающихся разрядов в высоковольтных электротехнических устройствах являются коронные разряды (корона).
5 ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОРОНЫ
Корона представляет собой нелинейное сопротивление, которое при постоянном напряжении подчиняется уравнению:
,
где Uкр – начальное напряжение;
А – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции и размеров электродов, погоды, шероховатости и т. д.
Зависимость тока короны от приложенного напряжения показана на рис. 2, а.
Расчет Uкр и А весьма труден, поэтому эти величины обычно определяются экспериментально или с помощью эмпирических формул, имеющих ограниченное значение. Вольт-амперная характеристика коронного разряда примыкает к оси абсцисс почти по касательной (рис. 2, а), разброс экспериментальных точек в начальной части по ряду причин очень велик, поэтому определение Uкр и А по ВАХ весьма неточно.
Для увеличения точности применяют редуцированные характеристики. Разделим уравнение ВАХ на напряжение, тогда:
.
Зависимост 
является линейной и строится по экспериментальным точкам в средней и верхней части кривой, т. е. по надежным точкам (рис 2, б). Нижними точками пренебрегаем. При таком построении Uкр выделяются очень четко. Коэффициент А является тангенсом угла наклона линии графика, если U и 
подставить в именованных величинах.
6 ЗДАНИЕ
1 Готовясь к лабораторной работе по лекционному материалу и литературе, изучить физику явлений при коронном разряде и его характеристики.
2 Под руководством преподавателя на основании опыта изучить отрицательную корону, сопоставив ее с отрицательной.
3 На основе экспериментов изучить корону постоянного тока на параллельных проводах при разных диаметрах проводов и разных расстояниях между ними, для чего:
1) разработать схему эксперимента, таблицы наблюдений, технологию опыта;
2) построить графики 
для трех диаметров проводов;
3) построить графики при трех расстояниях между проводами;
4) написать уравнение вольт-амперной характеристики;
5) построить график мощности.
Замечание. При разработке схемы эксперимента надо иметь в виду, что амперметр должен быть включен так, чтобы он учитывал только ток короны на проводах, т. к. во время опыта могут коронировать детали, подводящие ток к ним (гайки, подводящие проводники и т. д.).
4 Ослабив натяжение верхнего провода, вызвать и понаблюдать эффект «пляски» проводов, вызываемой объемными ионными облаками Роговского.
ТАБЛИЦА
№ | I | UНАЧ | UНАЧ | UКР | UКР | I/U | P | Примечание |
мА | В | кВ | В | кВ | мА/кВ | Вт |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Что собой представляют коронные разряды?
2 Стадии развития коронных разрядов.
3 Как влияет давление газа на развитие коронных разрядов?
4 Чем вызывается импульсный характер тока короны?
5 Как влияет степень влажности окружающей среды на интенсивность коронных разрядов?
6 Какие потери энергии существуют при короне?
7 Что такое униполярная и биполярная корона?
8 Способы борьбы с короной.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК
Техника высоких напряжений/под ред. . –М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. Бабиков, высоких напряжений/ Бабиков, М. А., Комаров, Н. С, Сергеев, А. С. –М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. Базуткин, высоких напряжений/ Базуткин, В. В., Ларионов, В. П., Пинталь, Ю. С. –М.: Энергоатомиздат, 1986. Долгинов, высоких напряжений в электроэнергетике/ Долгинов, А. И. –М: Энергия, 1962. Долгинов, в электрических системах/ Долгинов, А. И. –М: Госэнергоиздат, 1962. Пупко, высоких напряжений: Учебное пособие. Ч. 1,2/ Пупко, В. В. –Ростов н/Д: РГУПС 1997. Бочев, разряды: Учебное пособие/ Бочев, А. С., Соловьев, Г. Е., Безуглый, А. В. –Ростов н/Д: РГУПС, 2002.
