Влияние относительной плотности воздуха на электрическую прочность разрядного промежутка

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

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

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

	0,91	0,92	0,93	-	1,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	33	35	37	-	53	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		37,5
0,35	14	16	17	-	27	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		33,1
0,7	6	7	7	-	14	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29,9
1,05	2	3	3	-	7	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,7
1,4	1	1	1	-	4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,2
1,75	0	0	1	-	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,5
2,1	0	0	1	-	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,4
2,45	1	1	1	-	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,0
2,8	2	2	3	-	6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,4
3,15	6	6	7	-	13	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29,8
3,5	16	18	19	-	30	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		33,6
k	28,3	30,9	33,6	-	57	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

Таблица 2.2

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

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

	-	-	1,0	1,02	1,04	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	-	-	34	38	42	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		37,5
0,35	-	-	15	17	20	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		33,1
0,7	-	-	6	7	9	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29,9
1,05	-	-	2	3	4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,7
1,4	-	-	1	1	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,2
1,75	-	-	0	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,5
2,1	-	-	0	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,4
2,45	-	-	0	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,0
2,8	-	-	2	2	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,4
3,15	-	-	6	7	8	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29,8
3,5	-	-	17	19	22	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		33,6
k	-	-	28,7	33,7	39,3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

Таблица 2.3

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

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

	-	-	1	1,02	-	-	1,12	1,14	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	-	-	20	23	-	-	41	46	-	-	-	-	-	-	-	-		37,5
0,35	-	-	7	8	-	-	19	21	-	-	-	-	-	-	-	-		33,1
0,7	-	-	2	2	-	-	8	9	-	-	-	-	-	-	-	-		29,9
1,05	-	-	0	0	-	-	3	4	-	-	-	-	-	-	-	-		27,7
1,4	-	-	0	0	-	-	1	2	-	-	-	-	-	-	-	-		26,2
1,75	-	-	0	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-		25,5
2,1	-	-	0	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-		25,4
2,45	-	-	0	0	-	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-		26,0
2,8	-	-	0	0	-	-	3	3	-	-	-	-	-	-	-	-		27,4
3,15	-	-	1	2	-	-	8	9	-	-	-	-	-	-	-	-		29,8
3,5	-	-	8	10	-	-	21	24	-	-	-	-	-	-	-	-		33,6
k	-	-	13,5	16,3	-	-	36,5	42	-	-	-	-	-	-	-	-

 

Таблица 2.4

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

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

	-	1	-	1,031	-	-	1,22	1,24	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	-	11	-	14	-	-	45	49	-	-	-	-	-	-	-	-		37,5
0,35	-	2	-	4	-	-	20	22	-	-	-	-	-	-	-	-		33,1
0,7	-	0	-	0	-	-	8	10	-	-	-	-	-	-	-	-		29,9
1,05	-	0	-	0	-	-	3	4	-	-	-	-	-	-	-	-		27,7
1,4	-	0	-	0	-	-	1	2	-	-	-	-	-	-	-	-		26,2
1,75	-	0	-	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-		25,5
2,1	-	0	-	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-		25,4
2,45	-	0	-	0	-	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-		26,0
2,8	-	0	-	0	-	-	3	3	-	-	-	-	-	-	-	-		27,4
3,15	-	0	-	0	-	-	8	10	-	-	-	-	-	-	-	-		29,8
3,5	-	3	-	5	-	-	23	25	-	-	-	-	-	-	-	-		33,6
k	-	5,71	-	8,2	-	-	39,4	44,8	-	-	-	-	-	-	-	-

 

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

	1,0	-	1,08	1,1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	27	-	43	47	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		36,2
0,37	10	-	19	21	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		31,7
0,74	3	-	8	9	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		28,4
1,11	1	-	3	4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,2
1,48	0	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24,7
1,85	0	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24
2,22	0	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		23,8
2,59	0	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24,4
2,96	0	-	2	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,7
3,33	3	-	7	8	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		28,1
3,7	11	-	20	23	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		31,9
k	20,4	-	38,2	43,9	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

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

	1	-	-	1,14	1,16	1,18	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	22	-	-	47	52	56	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		35
0,39	7	-	-	21	23	26	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		30,4
0,78	1	-	-	8	10	11	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,1
1,17	0	-	-	3	4	5	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24,9
1,56	0	-	-	1	1	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		23,4
1,95	0	-	-	0	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		22,6
2,34	0	-	-	0	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		22,4
2,73	0	-	-	1	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		22,9
3,12	0	-	-	2	3	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24,3
3,51	1	-	-	7	8	10	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,6
3,9	7	-	-	21	23	26	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		30,4
k	14,9	-	-	43,1	49	55,3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

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* cм Значения , при δ=1;D=10см;L=4,1см; U=100 кВ

	1,0	-	-	1,22	1,24	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	18	-	-	57	62	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		33,9
0,41	5	-	-	25	28	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29,2
0,82	0	-	-	10	12	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26
1,23	0	-	-	4	5	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		23,7
1,64	0	-	-	1	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		22,2
2,05	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		21,3
2,46	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		21,2
2,87	0	-	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		21,6
3,28	0	-	-	2	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		22,9
3,69	0	-	-	8	9	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,2
4,1	4	-	-	24	26	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29
k	11	-	-	54,5	61	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

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.

Х, U* cм Значения , при δ=1;D=8см;L=3,5см; U=100 кВ

	-	1	-	1,04	1,06	1,08	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	-	53	-	64	70	77	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		40,8
0,35	-	21	-	27	31	34	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		34,8
0,7	-	8	-	11	13	15	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		30,6
1,05	-	2	-	4	5	6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,7
1,4	-	0	-	1	2	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,8
1,75	-	0	-	0	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24,8
2,1	-	0	-	0	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24,5
2,45	-	0	-	0	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		2,5
2,8	-	1	-	2	3	4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26,6
3,15	-	5	-	7	9	10	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		29,4
3,5	-	18	-	24	27	30	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		34,1
k	-	38,1	-	49,7	56,4	63,6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

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

	-	1	-	1,12	1,14	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	-	100	-	157	168	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		46,9
0,35	-	36	-	65	71	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		38
0,7	-	11	-	26	29	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		32
1,05	-	2	-	9	11	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		27,9
1,4	-	0	-	3	4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,2
1,75	-	0	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		23,6
2,1	-	0	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		23
2,45	-	0	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		23,4
2,8	-		-	3	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		25,1
3,15	-	3	-	11	12	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		28,4
3,5	-	20	-	40	44	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		34,5
k	-	60,7	-	110	120	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

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

	-	1	-	-	1,28	1,3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
0,0	-	260	-	-	563	589	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		60,6
0,35	-	78	-	-	207	218	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		44,2
0,7	-	19	-	-	76	81	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		34,3
1,05	-	2	-	-	26	28	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		28
1,4	-	0	-	-	8	9	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		24
1,75	-	0	-	-	2	2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		21,5
2,1	-	0	-	-	0	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		20,3
2,45	-	0	-	-	1	1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		20,4
2,8	-	0	-	-	3	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		22
3,15	-	0	-	-	16	17	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		26
3,5	-	20	-	-	77	83	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-		34,5
k	-	133	-	-	342	361	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

Выводы

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

δ	0,9	1	1,1	1,2
U*пр	0,93	1,04	1,14	1,24

 

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].