Учебная работа. Моделирование на ПЭВМ электрического поля и пробивного напряжения шарового измерительного разрядника

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Моделирование на ПЭВМ электрического поля и пробивного напряжения шарового измерительного разрядника

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»

Факультет: Электроэнергетический

Кафедра: Электроснабжения

Дисциплина: Электроэнергетика , ч.4

отчет ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Моделирование на ПЭВМ электрического поля и пробивного напряжения шарового измерительного разрядника

Вариант № 20

Выполнил: студент группы ЭС-41

Проверил: преподаватель, к.т.н.

Вологда

СОДЕРЖАНИЕ

1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

2.ИССЛЕДОВАНИЕ влияния ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ прочность РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА НА электрическое ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА

4.исследование ВЛИЯНИЯ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЭЛЕКТРОДОВ НА электрическое ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА

.ВЫВОДЫ

5.1 влияние относительной плотности воздуха на электрическую прочность разрядного промежутка

.2 Влияние расстояния между электродами на электрическое поле и электрическую прочность разрядного промежутка

.3 влияние радиуса кривизны электродов на электрическое поле и электрическую прочность разрядного промежутка

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЦЕЛЬ работы

Изучение основных форм самостоятельного разряда в газе, а также влияние на электрическую прочность и электрическое поле разрядного промежутка основных физико-химических свойств газа (воздух) и геометрических характеристик; и использование в практической электроэнергетике закономерностей, обнаруженных при выполнении практикума.

ХОД работы

. Исследование влияния относительной плотности воздуха (δ) на электрическую прочность разрядного промежутка.

. Исследование влияния расстояния между электродами на электрическое поле и электрическую прочность разрядного промежутка: для δ = 1увеличивать расстояние между шарами с шагом 0,2 см (3 точки);

. исследование влияния радиуса кривизны электродов на электрическое поле и электрическую прочность разрядного промежутка: для δ = 1 уменьшать диаметр шаров при исходном расстоянии между ними с шагом 2 см (3 точки).

1. исходные ДАННЫЕ

электрический поле разряд газ

диаметр шаров D=10 см;

Исходное напряжение Uисх=100кВ;

Расстояние между шарами L=3,5 см;

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА (δ) НА электрическую ПРОЧНОСТЬ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА

Результаты моделирования приведены в табл. 2.1-табл. 2.4.

Таблица 2.1

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=0,9

Х, U* cмЗначения , при δ=0,9;D=10см;L=3,5см; U=100 кВ.

0,910,920,93-1,0————0,0333537-53————37,50,35141617-27————33,10,7677-14————29,91,05233-7————27,71,4111-4————26,21,75001-3————25,52,1001-2————25,42,45111-3————26,02,8223-6————27,43,15667-13————29,83,5161819-30————33,6k28,330,933,6-57————

Таблица 2.2

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1

Х, U* cмЗначения , при δ=1;D=10см;L=3,5см; U=100 кВ

—1,01,021,04—— ——0,0—343842————37,50,35—151720————33,10,7—679————29,91,05—234————27,71,4—112————26,21,75—001————25,52,1—001————25,42,45—011————26,02,8—223————27,43,15—678————29,83,5—171922————33,6k—28,733,739,3————

Таблица 2.3

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1,1

Х, U* cмЗначения , при δ=1,1;D=10см;L=3,5см; U=100 кВ

—11,02—1,121,14———0,0—2023—4146———37,50,35—78—1921———33,10,7—22—89———29,91,05—00—34———27,71,4—00—12———26,21,75—00—01———25,52,1—00—01———25,42,45—00—11———26,02,8—00—33———27,43,15—12—89———29,83,5—810—2124———33,6k—13,516,3—36,542———

Таблица 2.4

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1,2

Х, U* cмЗначения , при δ=1,2;D=10см;L=3,5см; U=100 кВ

-1-1,031—1,221,24———0,0-11-14—4549———37,50,35-2-4—2022———33,10,7-0-0—810———29,91,05-0-0—34———27,71,4-0-0—12———26,21,75-0-0—01———25,52,1-0-0—01———25,42,45-0-0—11———26,02,8-0-0—33———27,43,15-0-0—810———29,83,5-3-5—2325———33,6k-5,71-8,2—39,444,8———

3. исследование ВЛИЯНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ НА электрическое ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА

Результаты моделирования приведены в табл. 3.1- табл. 3.3.

Таблица 3.1

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1 и длине промежутка L=3,7 см

Х, U* cмЗначения , при δ=1;D=10см;L=3,7см; U=100 кВ

1,0-1,081,1————0,027-4347————36,20,3710-1921————31,70,743-89————28,41,111-34————26,21,480-11————24,71,850-01————242,220-01————23,82,590-11————24,42,960-23————25,73,333-78————28,13,711-2023————31,9k20,4-38,243,9————

Таблица3.2

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1 и длине промежутка L= 3,9 см

Х, U* cмЗначения , при δ=1;D=10см;L=3,9см; U=100 кВ

1—1,141,161,18———-0,022—475256———-350,397—212326———-30,40,781—81011———-27,11,170—345———-24,91,560—112———-23,41,950—011———-22,62,340—001———-22,42,730—111———-22,93,120—233———-24,33,511—7810———-26,63,97—212326———-30,4k14,9—43,14955,3———-

Таблица 3.3

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1 и длине промежутка L=4,1 см.

Х, U* cмЗначения , при δ=1;D=10см;L=4,1см; U=100 кВ

1,0—1,221,24————0,018—5762————33,90,415—2528————29,20,820—1012————261,230—45————23,71,640—12————22,22,050—01————21,32,460—01————21,22,870—11————21,63,280—23————22,93,690—89————25,24,14—2426————29k11—54,561————

4. исследование ВЛИЯНИЯ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЭЛЕКТРОДОВ НА электрическое ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА

Результаты моделирования приведены в табл. 4.1-табл. 4.3

Таблица 4.1

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1 и диаметре шаровых электродов D=8 см.

-1-1,041,061,08—- ——0,0-53-647077———-40,80,35-21-273134———-34,80,7-8-111315———-30,61,05-2-456———-27,71,4-0-122———-25,81,75-0-011———-24,82,1-0-001———-24,52,45-0-011———-2,52,8-1-234———-26,63,15-5-7910———-29,43,5-18-242730———-34,1k-38,1-49,756,463,6———-

Таблица 4.2

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1 и диаметре шаровых электродов D=6см.

Х, U* cмЗначения , при δ=1;D=6см;L=3,5см; U=100, кВ

-1-1,121,14—— ——0,0-100-157168————46,90,35-36-6571————380,7-11-2629————321,05-2-911————27,91,4-0-34————25,21,75-0-11————23,62,1-0-01————232,45-0-11————23,42,8—33————25,13,15-3-1112————28,43,5-20-4044————34,5k-60,7-110120————

Таблица 4.3

Распределение коэффициента эффективной ионизации по длине воздушного промежутка при относительной плотности воздуха δ=1 и диаметре шаровых электродов D= 4см

Х, U* cмЗначения , при δ=1;D=4 см;L=3,5см; U=100 кВ

-1—1,281,3———-0,0-260—563589———-60,60,35-78—207218———-44,20,7-19—7681———-34,31,05-2—2628———-281,4-0—89———-241,75-0—22———-21,52,1-0—01———-20,32,45-0—11———-20,42,8-0—33———-223,15-0—1617———-263,5-20—7783———-34,5k-133—342361———-

5. Выводы

5.1 влияние относительной плотности воздуха на электрическую прочность разрядного промежутка

При исследовании влияния относительной плотности воздуха на электрическую прочность разрядного промежутка его геометрические параметры не изменялись, и картина электрического поля междуэлектродного пространства оставалась неизменной, поэтому коэффициент неоднородности в этом случае не меняется и равен, (5.1) [8]

где — максимальное значения напряженности электрического поля взятое из табл. 2.1;

минимальное значения напряженности электрического поля взятое из табл. 2.1;

При анализе двойного неравенства можно сделать вывод, что поле в разрядном промежутке неоднородное.

Условие самостоятельности разряда определяется выражением (5.2), [8]:

,

где — эффективный коэффициент ионизации.

Из табл. 2.1 при δ=0,9 видно, что при U*≤0,92 существует коронный разряд, т.к. выполняется условие самостоятельности разряда (), электрическое поле неоднородное () и на части разрядного промежутка aэф=0, следовательно, промежуток сохраняет изоляционные свойства.

При U*≥0,93 условие самостоятельности разряда выполняется и на всей длине промежутка, поэтому происходит пробой.

Определим вид разряда, для этого вычислим мгновенное значение тока пробоя по выражению (5.3)[8]:

где — суммарный электрический заряд в разрядном промежутке;

t — время, равное 1 секунде.

Суммарный заряд приблизительно допустимо вычислить по выражению (5.4). [8]

где q- заряд электрона;- число отрезков, на которое разбит промежуток S;=n+1

,

Значение тока очень мало. Делаем вывод, что это не электрическая дуга.

Т.к. относительная плотность воздуха δ=0,9, то полученный разряд не может быть тлеющим. Тлеющий разряд возникает при условии, когда δ≤0,01, [8].

таким образом разряд является искровым.

Из табл. 2.2 при δ=1 при U* ≤1.02 корона, при U* ≥1.04 искра.

Из табл. 2.3 при δ=1,1при U* ≤1.12 корона, при U* ≥1.14 искра.

Из табл. 2.4 при δ=1,2при U* ≤1.22 корона, при U* ≥1.24 искра.

Сведем значения δ и соответствующие им значения пробивного напряжения в табл. 5.1:

Таблица 5.1

Зависимость пробивного напряжения от относительной плотности воздуха

δ0,911,11,2U*пр0,931,041,141,24

Как видно из вышеизложенных данных, при повышении относительной плотности воздуха с 0,9 до 1,2 пробивное напряжение возрастает с 0,93 до 1,24, значит, электрическая прочность воздуха увеличивается.

Эффект влияния относительной плотности воздуха на электрическую прочность разрядного промежутка используется :

в воздушных и элегазовых выключателях, в которых к определяющим конструктивным параметрам относятся давление и род газа;

в элегазовых герметизированных распределительных устройствах в диапазоне линейного роста напряжения при р≤0,2 МПа увеличение давления , позволяет пропорционально уменьшить размеры и пропорционально квадрату размеров снизить площадь поверхности и массу оболочки. В диапазоне существенных отклонений от закона подобия (р ≥0,6 МПа) дальнейшее увеличение давления почти не приводит к росту электрической прочности. Исходя из выше сказанного, оптимальный диапазон рабочих давлений находиться в границах 0,35-0,55 МПа;

в газонаполненных кабелях низкого (7-15 н/см2), среднего(17-30 н/см2 ) и высокого ( 100-150 н/см2) давления, для которых увеличение относительной плотности достигается путём повышения давления [1] , [5], [7].

5.2 Влияние расстояния между электродами на электрическое поле и электрическую прочность разрядного промежутка

Во втором опыте исследовалось влияние расстояния между шарами на электрическую прочность разрядного промежутка. Начальное расстояние, равное 3,5 см, увеличивалось с шагом 0,2 см. Было взято три точки. При этом относительная плотность воздуха не изменяется и принята равной 1,0. Рассчитаем коэффициенты неоднородности электрического поля по выражению (5.1), и приведем значения пробивного напряжения по табл. 3.1 — 3.3. Сведем полученные значения в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Зависимость коэффициента неоднородности электрического поля и пробивного напряжения от длины разрядного промежутка

L,см3,53,73,94,11,481,521,561,61,041,11,181,24

Приведем вычисления коэффициента неоднородности:

При L=3,5 см ;

При L=3,7 см ;

При L=3,9 см ;

При L=4,1 см ;

По данным табл. 5.2 можно сделать вывод, что неоднородность поля увеличивается с повышением длины разрядного промежутка. Также из табл. 5.2 следует, что с повышением L пробивное напряжение становится больше, а значит и электрическая прочность разрядного промежутка возрастает.

Из табл. 3.1 при L=3,7 при U* ≤1.08 корона, при U* ≥1.1 искра.

Из табл. 3.2 при L=3,9 при U* ≤1.16 корона, при U* ≥1.18 искра.

Из табл. 3.3 при L=4,1 при U* ≤1.22 корона, при U* ≥1.24 искра.

При проектировании конструкций ЛЭП необходимо учитывать влияние длины разрядного промежутка на электрическую прочность. С увеличением класса напряжения должно быть увеличено расстояние между фазными проводами и габарит ЛЭП. Так на ЛЭП напряжением ≥ 35 кВ с подвесными изоляторами при горизонтальном расположении проводов минимальное расстояние между проводами d ,м, по условиям их сближения в пролете определяется в зависимости от номинального напряжения линии и габаритной стрелы провеса по выражению (5.5) [6]

d=1.0+U/110+0.6√f,

где U напряжение ВЛ кВ;- наибольшая стрела провеса, соответствующая габаритному пролету, м.

Также эта зависимость используется в коммутационных аппаратах, увеличивает расстояние «в свету» открытых коммутационных аппаратов в отключенном состоянии. Расстояния между осями полюсов для разных напряжений приведены в таблице (5.3)[1], [4].

Таблица 5.3

Зависимость межосевого расстояния полюсов от напряжения

Номинальное напряжение, кВРасстояние между осями полюсов, м60,4100,5351-21102-3,52203,5-4,53306

5.3 Влияние радиуса кривизны электродов на электрическое поле и электрическую прочность разрядного промежутка

уменьшая радиус кривизны электродов с 10 до 4 см с шагом 2 см, рассчитаем коэффициенты неоднородности электрического поля по выражению (4.1) и приведем значения пробивного напряжения при относительной плотности воздуха 1,0. Сведем полученные значения в табл. 5.4

Зависимость коэффициента неоднородности электрического поля и значения пробивного напряжения от диаметра кривизны электродов.

D,см108641,481,672,042,991,041,081,141,3

Приведем вычисления коэффициента неоднородности:

При D=10 см ;

При D=8 см ;

При D=6 см ;

При D=4 см ;

Анализируя данные табл. 5.4., приходим к выводу, что с уменьшением диаметра шаров коэффициент неоднородности увеличивается. Также можно сделать вывод, что с уменьшением диаметра шаров возрастает пробивное напряжение, следовательно, увеличивается электрическая прочность воздушного промежутка.

Из табл. 4.1 при D=8 см при U* ≤1.06корона, при U* ≥1.08 искра.

Из табл. 4.2 при L=6 смпри U* ≤1.12корона, при U* ≥1.14 искра.

Из табл. 4.3 при L=4 смпри U* ≤1.28корона, при U* ≥1.3 искра.

На практике данная зависимость используется для борьбы с короной на ВЛ. Для ЛЭП напряжением ≥330 кВ применяют расщепление проводов в фазе, тем самым увеличивая эквивалентный радиус провода. Радиус расщепления ограничивается требованием ограничения коронного разряда: потерь на корону. Максимальная напряженность поля на поверхности проводов определяется выражением(5.6)

где n-количество проводов в фазе;

rр-радиус окружности, проведенной через оси всех составляющих проводов в фазе;

r0-радиус описанной окружности каждого провода.

Это самый действенный и эффективный способ борьбы с коронным разрядом. За счет расщепления фазы происходит снижение потерь мощности на корону, кроме того, расщепление фазы уменьшает индуктивное сопротивление линии(5.7), следовательно, происходит увеличение предельной передаваемой мощности. [2]

где — магнитная проницаемость-количество проводов в фазепр. экв -эквивалентный радиус провода

Так же данная зависимость используется для выравнивания распределения напряжения и напряженности поля вдоль изоляционных конструкций аппаратов с помощью тороидальных экранов. На рис.5.1 видна зависимость уменьшения неоднородности электрического поля при увеличении радиуса тороидального экрана.

Рис.5.1 Распределение потенциала (кривые 1,2) и напряженности поля (кривые 3,4) при радиусе тороидального экрана R0=0,5 м (кривые 1,3) и R0=1 м (кривые 2,4)

В ГРУ для повышения электрической прочности межконтактного промежутка используют экраны со сферической или близкой к ней формой, все острые кромки закругляются. [3] Словами написать из какой книги взят опыт

Список использованных источников

1.электрические аппараты высокого напряжения: учебн. для вузов/под ред. Г.Н. Александрова. — СПб.: СПбГТУ, 2000. — 502 с.

2.Александров Г.Н. Режимы работы воздушных линий электропередачи /Г .Н. Александров: Учеб. Пособие. — Спб.: центр подготовки кадров энергетики, 2006. — 139с., Илл.

.Проектирование электрических аппаратов: Учебник для П79 вузов/ Г.Н. Александров, В.В. Борисов, Г.С. Каплан и др.; Под ред. Г.Н. Александрова.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985-448с., ил.

.Е.Ф. Макаров Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ — М.: Папирус Про, 2005 5 том

.техника высоких напряжений: [учеб. Пособие для электроэнергет. Специальностей вузов]/ под. Ред. М.В. Костенко- М.: Высш. Шк. 1973.-628 с.

.Правила устройства электроустановок: все действующие разделы.-6-е и 7-е изд.- Новосибирск: Сиб. Унив.изд-во, 2010.-464 с.

.техника высоких напряжений. Учебник для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Под общей ред. Д.В. Разевига. Изд.2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976.

.Методические указания к лабораторному практикуму по технике высоких напряжений: Ананьев В.П.: Вологда ВоГТУ, 2013. — 15 с.

.Аронов М.А. Лабораторные работы по технике высоких напряжений / М.А. Аронов, В.В. Базуткин, П.В. Борисоглебский: Учеб. Пособие для вузов. — М.: Энергоиздат, 1982. — 352 с., Илл.

.сто ВоГТУ 2.7-2006 Проекты дипломные и курсовые. Общие требования и правил оформления расчетно-пояснительной записки. — Введ. 28.02.2006. — Вологда: ВоГТУ, 2006г. — 31с.

Учебная работа. Моделирование на ПЭВМ электрического поля и пробивного напряжения шарового измерительного разрядника