Численное моделирование разрядных процессов в воздушных изоляционных промежутках на стримерной стадии разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат технических наук Гайворонский, Александр Сергеевич

• Гайворонский, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гайворонский, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЁХМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. Математическая модель электростатического поля в кусочно-однородной среде.

1.2. Численный алгоритм расчёта трёхмерного электростатического поля в кусочно-однородной среде с учётом объёмного заряда.

1.3. Работоспособность программы для расчёта трёхмерного электростатического поля. Достоверность численных расчётов.

1.4. Выводы по разделу I

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КАТОДОНАПРАВ-ЛЕННОГО СТРИМЕРА В ВОЗДУШНОМ ПРОМЕЖУТКЕ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.

2.1. Общие положения.

2.2. Процессы впереди головки стримера.

2.3. Процессы в канале стримера.,.

2.4. Распределение потенциала и тока по длине канала.

2.5. Численный алгоритм для расчёта характеристик стримеров.

2.6. Выводы по разделу 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЁТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРИМЕРОВ.

3.1. Общие положения.

3.2. Длины стримеров в промежутках с различной степенью неоднородности электрического поля.

3.3. Характеристики плазмы в канале стримера.

3.4. Распространение стримера после снятия напряжения на промежутке.

4. РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА ПОСЛЕ ВСПЫШКИ СТРИМЕРНОЙ КОРОНЫ.

4.1. Общие положения.

4.2. Замыкание стримером промежутка. Определение минимальных разрядных напряжений в коротких промежутках.

4.3. Образование лидерного канала в стебле короны.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование разрядных процессов в воздушных изоляционных промежутках на стримерной стадии разряда»

В В Е Д Е Н И Е В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятых на 26 съезде КПСС, указывается:"Продолжать работы по дальнейшему развитию Единой энергетической системы страны, повышению надёжности и качества электроснабжения народного хозяйства". Предусматривается "Ввести в действие первую очередь линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз-Центр и линии электропередачи переменного тока напряжением II50 кВ Экибастуз-Урал". В связи с освоением новых высших классов напряжения в электроэнергетике возрастают требования, предъявляемые к надёжности и экономичности воздушной изоляции, в значительной степени определяющей технико-экономические показатели электротехнических устройств в целом. Основная проблема, которая возникает при выборе воздушной изоляции, состоит в определении разрядных характеристик воздушных изоляционных промежутков при различных конфигурациях электродных систем и типах воздействующего напряжения. Традиционный подход к решению этой проблемы заключается в экспериментальном определении разрядных характеристик, которое производится на макетах реальных изоляционных конструкций в лабораторных условиях /1-8/. Являясь в настоящее время преобладающим, экспериментальный подход к определению разрядных характеристик имеет, вместе с тем, ряд недостатков: I. Постановка и проведение эксперимента на макетах изоляционных конструкций длительный и трудоёмкий процесс, требующий больших материальных затрат, наличия дорогостоящего испытательного и монтажного оборудования, проведения большого числа испытаний для определения статистических характеристик разрядного напряжения. 2. Реальные условия эксплуатации изоляции трудно воспроизводимы в лабораторных условиях, зачастую приходится прибегать к упрощениям геометрии реальных конструкций при сооружении их макетов, а также к упрощениям формы воздействующего напряжения по сравнению с реальными воздействиями. Эти упрощения могут снизить достоверность экспериментальных результатов по определению разрядных характеристик. 3. Определение разрядных напряжений в области малых вероятностей (на уровне 10-10""), которое производится экстраполяцией экспериментальных кривых эффекта в предположении о нормальном (бинормальном) законе распределения, также не является достоверным. До настоящего времени не существует однозначного экспериментального подтверждения справедливости этих законов распределения в области малых вероятностей /9-10/. В связи с изложенным большой интерес представляет разработка расчетных методик определения разрядных характеристик. Целесообразность создания расчетных методик продиктована в первую очередь стремлением сократить объём дорогостоящих и трудоёмких экспериментальных исследований. Перспективное же применение расчётных методик на базе современных ЭВМ открывает возможности для создания систем автоматизированного проектирования изоляционных конструкций высоковольтных электротехнических устройств. В разработке расчетных методик определения разрядных характеристик в настоящее время существуют два различных направления, первое из которых основывается на обобщении экспериментальных данных при определении разрядных характеристик для некоторых типов электродных систем и воздействующих напряжений, второе на детальном описании зических процессов, имеющих место при развитии разряда.Расчетные методики, относящиеся к первому направлению, независимо от особенностей их конкретной реализации, в основе своей содержат экспериментальные результаты по определению разрядных характеристик некоторых простых типов изоляционных промежутков /II-I4/. Разрядные характеристики изоляционных промежутков сходного типа, но более сложной геометрической конфигурации, определяются в результате пересчёта, исходя из физически правдоподобных соображений и сопоставления электрических полей в простом и усложнённом промежутке. Недостатки применения указанных методик (методик пересчёта) практически те же, что и при экспериментальном определении разрядных характеристик, то есть: несовершенство моделирования геометрии и условий работы изоляционных конструкций при проведении эксперимента для типовых промежутков в лабораторных условиях; плохая достоверность результатов по определению разрядных напряжений в области малых вероятностей. Эффективность применения"методик пересчета" ограничивается также тем, что погрешность в определении разрядных характеристик, неизбежную при пересчёте, зачастую трудно бывает оценить, особенно при значительном усложнении конфигурации изоляционного промежутка по сравнению с типовым. Второе направление потенциально более перспективно. Детальное описание физических процессов, имеющих место при развитии разряда, предусматривает в конечном счёте разработку расчётных моделей отдельных элементов разряда и расчётной модели разряда в целом. В этом случае при определении разрядных характеристик исчезает необходимость в проведении даже ограниченных экспериментальных исследований. Углубление представлений о механизмах развития разряда, которое достигается при теоретическом описании, имеет важное значение для анализа случайных факторов, влияющих на развитие разряда и определяющих, в частности, разброс разрядных напряжений в области малых вероятностей.Разработка расчётных моделей отдельных элементов разряда позволяет также более обоснованно подходить к созданию"методик пересчёта" разрядных характеристик, примером чему служит методика, предложенная в /12/. Наряду с преимуществами, которые даёт разработка расчётной модели разряда, необходимо, однако, признать, что осуществление её представляется чрезвычайно сложной задачей. Трудности разработки расчётной модели разряда обусловлены, прежде всего,сложностью объекта исследований, которым является электрический разряд, как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Несмотря на определённый прогресс, достигнутый в последние годы в теоретическом описании различных механизмов разряда, работы в этом направлении далеки пока от практического завершения. Благодаря, главным образом, экспериментальным исследованиям феноменологическая картина разряда в воздушных изоляционных промежутках выяснена к настоящему времени достаточно полно. Изучено влияние определяющих факторов на развитие разряда (распределения электрического поля в промежутке, атмосферных условий). Результаты экспериментальных исследований подробно отражены в ряде монографий /15-18/, а также в многочисленных советских и зарубежных публикациях /19-36/. Исходя из обобщения накопленных экспериментальных данных, в некоторых работах /37-39/ рассмотрен общий подход к созданию расчётной методики определения разрядных характеристик. Наибольший практический интерес представляет описание развития разряда при положительной полярности воздействующего напряжения, поскольку электрическая прочность промежутка оказывается при этом наименьшей. На рис.В.1 схематично отражён круг вопросов, возникающих в общем случае при разработке расчётной модели разAQoUMHa -crpUMeP/iOiO /7ePej(odQ___ Случайные лия/ссцие »a 05NukH рвен СтагисгичесМие харалгеРистала /9а/7РЯе/с/г §1 /7араметр£}/ ы:пыш(:и с. к. И а а иоде Jpcfmepau образования лидера I I mmHcoQpMaqc/?! cTP(JMepa i иск Fa Sac jta/a/1 sod opomtae промеУт/:и CmarucruQeckue xopakmepucw/zu Напряжения ё05никНоёеиия AUoepQ Ааиив/е /7PaMe</mit(/ //араме/прд/ сгдамериоО 30H6f iUdepQ AUdppg /lapOMe лидернйго разрядных тпр Cmumucmu/ecircje траШерс/стс/Ы Рис. 8.1 ряда. В основных чертах схема на рис.В.1 согласуется с положениями работы /39/ и соответствует развитию разряда, при положительной полярности напряжения. В различной степени каждый из отмеченных на схеме вопросов рассматривался теоретически, за исключением случайных факторов, определяющих продвижение лидера, которые не выяснены пока даже в экспериментальном плане /12,39/, Наибольшее внимание в теоретических разработках уделено определению параметров лидерного канала /40-43/ и вспышки стримерной короны на аноде /44-47/, Предложенная в /43/ расчётная модель, позволяющая при заданном токе определить параметры лидерного канала, наиболее полно отвечает современным представлениям об этом разрядном образовании. Лидер рассматривается, как канал с неравновесной плазмой. Напряжённость поля в канале, необходимая для поддержания плазмы, определяется равновесием между процессами ударной ионизации и электрон-ионной рекомбинации с учётом разогревания газа. Вопрос о продвижении лидера остаётся не решённым, поскольку предусматривает наряду с определением параметров лидерного канала, определение также параметров стримерной зоны лидера и характеристик электрического поля в промежутке с учётом внедрённого заряда. В отдельных работах /40,43/ предпринимались попытки обосновать критерий возникновения лидерного канала в стебле короны у анода и в стримерной зоне лидера. Однако, положительный результат в этом направлении пока не достигнут. Предложенный первоначально /40/ механизм, в основе которого лежит разогревание газа токами стримеров до температуры начала термоионизации, не подтвердился проведёнными позднее экспериментальными измерениями температуры газа в канале лидера /30/, В /43/ рассматривался механизм возникновения лидерного канала в стебле короны у анода, связанный с тепловым распадом отрицательных ионов в результате разогревания газа. Качественно этот механизм подтверждается тем, что температура газа, соответствующая распаду отрицательных ионов 1200 К), согласуется с наблюдаемой в эксперименте /30/. Непосредственного же экспериментального подтверждения данного механизма не существует. Количественные оценки, сделанные в /43/ по напряжению возникновения лидера, получены при слишком произвольных допущениях относительно протекания тока и концентрации отрицательных ионов в стебле короны и не могут поэтому считаться однозначными при сравнении с экспериментом. Полагалось, в частности, что весь ток, регистрируемый в эксперименте во время вспышки стримерной короны на аноде, протекает в канале, поперечный размер которого равен начальному размеру канала лидера 10 см). Концентрация отрицательных ионов в стебле короны не вычислялась и без каких-либо обоснований принята достаточной для того, чтобы распад отрицательных ионов мог обеспечить в стебле. Известно практически единственное, хотя и довольно полное, теоретическое исследование случайных факторов, влияющих на разброс напряжений возникновения начальной вспышки стримерной короны /12/. На основе рассмотрения распада отрицательных ионов в поле у анода в работе /12/ предложена методика, позволяющая рассчитать статистические характеристики напряжения возникновения начальной вспышки стримерной короны. Методика проверена экспериментально для промежутков типа шар-плоскость с резконеоднородным полем. Для промежутков более сложной конфигурации, представляющих практический интерес, данная методика не реализована. заметное увеличение проводимости II Настоящая работа посвящена численному исследованию одной из основных стадий разряда в воздушных изоляционных промежутках, а именно:исследованию стримерной короны, возникающей при положительной полярности воздействующего напряжения. Численное моделирование разрядных процессов при этом рассматривается в совокупности с численным моделированием трёхмерных электростатических полей, применительно к промежуткам реальных изоляционных конструкций. Чем вызвана данная конкретная направленность исследований? Стримерная корона занимает ведущее место в динамике разряда в воздушных изоляционных промежутках (см.рис.В.1). В длинных промежутках /12/ вспышка стримерной короны приводит к возникновению лидерного канала, образующегося в стебле короны у анода. Продвижение лидерного канала в глубь промежутка осуществляется в собственной стримерной зоне лидера. При разряде в коротких промежутках (порядка нескольких сантиметров) замыкание стримерами разрядного промежутка сопровождается трансформацией одного из стримеров в искровой канал, что приводит к нарушению электрической прочности /16/. Логика построения расчётной модели разряда должна отвечать реальной последовательности развития разряда и учитывать взаимосвязь отдельных его элементов. С этой точки зрения численное исследование стримерной короны в совокупности с численным моделированием электрических полей реальных изоляционных конструкций является необходимым первым шагом в решении более общей задачи разработки расчётной модели разряда в целом. Так, разработка расчётной модели стримерной короны позволяет обоснованно подойти к решению вопросов возникновения и продвижения лидерного канала, а также образования искрового канала при разряде в коротких промежутках.В свою очередь, численное моделирование электрического поля является основой для анализа разрядных процессов в воздушных изоляционных промежутках и в частности процессов на стримерной стадии. Распределение электрического поля в разрядном промежутке в значительной мере определяет параметры вспышки стримерной короны, момент её возникновения и распространени,е стримеров. Расчёт электрического поля позволяет также в начальном приближении (без подробного анализа разрядных процессов) выбрать необходимую конфигурацию изоляционного промежутка и в этом смысле представляет самостоятельный интерес. Определение параметров вспышки стримерной короны, возникающей при положительной полярности воздействующего напряжения, связано в первую очередь с описанием распространения катодонаправленных стримеров. В классических работах, посвященных изучению стримерного разряда /16,17,48/, а также в ряде более поздних работ /12,47,49-51/ основное внимание уделялось лавинностримерному переходу. В настоящее время вопрос о лавинно-стримерном переходе и условиях инициирования стримера в разрядном промежутке можно сш!тать решённым, по крайней мере, для технических приложений /12/. Распространение же стримеров применительно к промежуткам с произвольным распределением электрического поля изучено теоретически недостаточно. Один из основных вопросов при описании распространения катодо-направленного стримера состоит в выяснении влияния проводимости следа стримера на усиление поля впереди головки стримера /47/. В существующих теоретических работах в отношении проводимости следа стримера высказываются противоположные точки зрения. Общим недостатком при этом является то, что процессы в следе стримера, определяющие его проводимость, по-существу не рассматриваются, а проводимость следа заранее принимается либо пренебрежимо малой и тогда головка стримера изолирована от анода /44-46/, либо, напротив, достаточно высокой и стример рассматривается как высокопроводящий плазменный канал /47/. Описание распространения стримера, таким образом, сводится к рассмотрению только процессов ионизации в усиленном поле впереди головки и не отражает, объективно, всей реальной картины процесса. Такой подход к описанию стримера имеет ряд недостатков. Приближения, используемые в указанных работах относительно проводимости следа стримера не являются обоснованными. Представление о стримере, как о проводящем плазменном канале в большей степени соответствует утвердившимся представлением о лавинно-стримерном переходе, который связывается с достижением плазменного состояния в головке начальной электронной лавины /47,49-51/. Достижение плазменного состояния в следе стримера также подтверждено экспериментально, во всяком случае для коротких стримеров в промежутке с однородным и резконеоднородным полем /52,53/. Вместе с тем, нет оснований считать проводимость канала стримера столь высокой, чтобы пренебречь, как это сделано в /47/, падением напряжения в канале. Иначе,трудно объяснить наблюдаемую экспериментально остановку стримеров в промежутках с неоднородным полем при средней напряжённости внешнего поля на уровне 5 кВ/см. Для того, чтобы ответить на вопрос о проводимости канала стримера обоснованно, необходимо подробное рассмотрение процессов в канале, в частности, элементарных процессов в плазме, приводящих к изменениям концентраций заряженных частиц. Вторым веским основанием, указывающим на необходимость рассмотрения процессов в канале стримера, является непосредственная связь этих процессов с дальнейшим развитием разряда в промежутке после вспышки стримерной короны. Не имея информации о параметрах плазмы в канале стримера нельзя предсказать наблюдаемое возникновение лидерного канала в стебле короны у анода, продвижение лидерного канала в собственной стримерной зоне и трансформацию стримера в искровой канал при разряде в коротких промежутках. Последовательный подход к описанию распространения катодонаправленного стримера должен основываться на совместном рассмотрении процессов ионизации в усиленном поле впереди головки стримера и процессов в канале стримера. Проводимость канала должна определяться наряду с такими характеристиками, как скорость распространения, длина стримера или ток. Основным преимуществом подхода, развиваемого в настоящей работе, является возможность предсказания дальнейшего развития разряда в промежутке после вспышки стримерной короны. Существующие расчётные модели стримера не позволяют сделать этого даже принципиально. При определении характеристик электрического поля реальных изоляционных конструкций возникает необходимость проводить расчёты электрического поля в электродных системах достаточно сложной геометрической конфигурации в присутствии сред с различными диэлектрическими проницаемостями и, кроме того, с учётом объёмного заряда, внедрённого в промежуток при развитии разряда. В общем случае электрические поля реальных изоляционных конструкций являются трёхмерными. Возможности традиционных аналитических и приближённых /54,55/ методов расчёта таких электрических полей ограничены, поэтому приходится ориентироваться на применение численных методов. Среди последних наибольшее распространение получили сеточные /56,57/ и интегральные методы 758-62/. На основе этих методов разработаны эффективные численные алгоритмы и программы, позволяющие проводить расчёты плоско-меридианальных полей в кусочно-одноррдных средах /56,60/ и трёхмерных полей в однородных средах /61/. В данной работе при создании программы для расчёта трёхмерных электростатических полей в кусочно-однородных средах с учётом объёмного заряда реализован численный алгоритм, основанный на совместном использовании интегральных уравнений 1-го и П-го рода. Создание такой программы не содержит принципиальных трудностей, однако в существующих работах до настоящего времени осуществлено не было. В соответствии с вышеизложенным, таким образом, можно сформулировать следующие задачи настоящей работы: 1. Разработка численного алгоритма и программы для расчёта трёхмерных электростатических полей в кусочно-однородных средах с учётом объёмного заряда. Проверка достоверности численных расчётов и эффективности разработанной программы для расчёта электрических полей реальных изоляционных конструкций на ЭВМ. 2. Разработка математической модели, описывающей распространение катодонаправленного стримера в воздушном промежутке с произвольным распределением электрического поля, включая описание процессов впереди головки стримера и в канале стримера. Разработка численного алгоритма и программы для расчёта характеристик стримеров на ЭВМ. 3. Объяснение экспериментально наблюдаемых закономерностей распространения стримеров на основе результатов численного расчёта характеристик стримеров в различных промежутках. Проверка достовертости математической модели распространения катодонаправленного стримера 4. Анализ процессов в канале стримера после замыкания им разрядного промежутка, приводящих к трансформации стримера в искровой канал.Анализ процессов в канале стримера и стебле короны канала. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ и основных её результатов. 1. Впервые предложен подход к описанию распространения катодонаправленного стримера, основанный на совместном рассмотрении процессов в усиленном поле впереди головки стримера и в канале стримера. 2. Разработана математическая модель распространения катодонаправленного стримера в воздухе в промежутке с произвольным распределением электрического поля. 3. На основе анализа результатов численного расчёта характеристик стримеров в различных промежутках объяснены ряд принципиальных закономерностей распространения стримеров, дано объяснение образованию стебля короны у анода. 4. Рассмотрены процессы в канале стримера после замыкания им промежутка. Численными расчётами показано, что в коротких промежутках замыкание стримером промежутка не является достаточным критерием нарушения электрической прочности и может заканчиваться распадом плазмы в канале, либо трансформацией стримера в искровой канал. Условием трансформации в искровой канал является достижение приведённой напряжённостью поля в канале значений, необходимых для поддержания стационарного состояния. 5. Предложен механизм возникновения лидерного канала в стебле короны у анода, объясняющий экспериментально наблюдаемое шнурование тока в стебле короны развитием ионизационной неустойчивости в основании канала стримера. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов работы. I. Разработанная программа для расчёта трёхмерных электростатических полей в кусочно-однородных средах с учётом объёмс целью выявления возможного механизма возникновения лидерного ного заряда эффективно используется при: расчётах полей реальных изоляционных конструкций на стадии их проектирования; постановке эксперимента с целью определения разрядных характеристик воздушных изоляционных промежутков, а также исследования физических процессов при развитии разряда, 2. Разработанная программа для расчёта характеристик стримеров на ЭВМ совместно с программой для расчёта электрических полей применима для сопоставления различных вариантов изоляционных конструкций с точки зрения интенсивности стримерной короны, а также для анализа результатов экспериментальных исследований разрядных процессов в воздушных изоляционных промежутках. 3. Численный расчёт характеристик стримеров по разработанной программе позволяет определить минимальные разрядные напряжения в коротких воздушных изоляционных промежутках по условиям трансформации стримера в искровой канал. ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, касающихся численного расчёта характеристик стримеров, подтверждается согласием их с результатами экспериментальных исследований, проведённых совместно с сотрудниками лаборатории СВН СибНИИЭ, а также с экспериментальными данными, содержащимися в литературных источниках. Достоверность результатов численного расчёта электрических полей подтверждается согласием их с результатами аналитического решения ряда контрольньк задач, а также с результатами, полученными по другим программам (ЭРА, АКСИАЛ, ТРИТОН) при расчёте полей реальных изоляционных конструкций. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты, полученные при выполнении данной работы использованы: в Новосибирском научно-исследовательском институте автоматических приборов при расчётах электрических полей блоков ЛА-3, ЛА-54, при решении вопросов компоновки и выбора изоляции высоковольтных устройств; в Научно-исследовательском институте постоянного тока при проектировании комплектных элегазовых распределительных устройств на напряжения II0-II50 кВ; в Сибирском НИИ энергетики при исследовании физических процессов пробоя газообразных и жидких диэлектриков, а также при разработке и испытаниях высоковольтных конструкций. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: численный алгоритм и структура программы для расчёта трёхмерных электростатических полей в кусочно-однородных средах с учётом объёмного заряда; результаты численных расчётов, иллюстрирующие эффективность применения программы для расчётов электрических полей реальных изоляционных конструкций; математическая модель распространения катодонаправленного стримера в воздушном промежутке с произвольным распределением электрического поля, включающая математические модели процессов впереди головки стримера и в канале стримера; численный алгоритм и структура программы для расчёта рактеристик стримеров на ЭВМ; результаты численного расчёта характеристик стримеров в промежутках с различной степенью неоднородности электрического поля, сопоставление результатов численного расчёта с экспериментальными данными, подтверждающее достоверность математической модели распространения катодонацравленного стримера; результаты численного расчёта параметров плазмы в канале стримера после замыкания стримером разрядного промежутка, условия трансформации стримера в искровой канал; результаты численного расчёта параметров плазмы в канале хастримера, подтверясдающие возможность развития ионизационной неустойчивости, приводящей к шнурованию тока в стебле короны у анода и возникновению лидера. ОБЪЁМ И КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на /У4 4 рисунками и стр. машинописного текста, иллюстрируется 8 таблицами. Кроме введения работа наименований. состоит из четырёх

Заключение диссертации по теме «Техника высоких напряжений», Гайворонский, Александр Сергеевич

- 163 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в работе исследований можно сделать следующие основные выводы.

1. Разработанная црограмма для расчета трехмерных электростатических полей в кусочно-однородных средах, реализующая численный алгоритм, основанный на совместном использовании интегральных уравнений 1-го и 2-го ряда, может широко применяться для раочета электростатических полей реальных изоляционных конструкций. Применение программы целесообразно при проектировании высоковольтных изоляционных конструкций, а также при проведении экспериментальных исследований разрядных процессов в воздушных изоляционных промежутках.

Достоверность результатов численного расчета поля по разработанной программе подтверждается сравнением о результатами аналитического решения контрольных задач (погрешность при определении напряженности поля не превышает Ъ%) и сравнением с результатами численного расчета, полученными по другим апробированным программам ("АКСЙАЛ", "ТРИТОН", "ЭРА" и др.) (разница результатов составляет не более 10%).

2. Предложенная в работе математическая модель распространения катодонаправленного стримера, включающая математические модели процессов впереди головки стримера и в канале стримера, позволяет описать распространение стримера в промежутке с произвольным распределением электрического поля.

Разработанный на основе математической модели численный алгоритм реализован в программе применительно к ЭВМ БЭСМ-6, позволяющей определить такие характеристики стримеров, как окорость распространения, ток, длина стримера в момент остановки, а также характеристики плазмы в канале стримера - концентрацию заряженных и возбужденных частиц, температуру газа и напряженность поля в канале.

- 164

3. Достоверность результатов чиоленного расчета характеристик стримеров подтверждается сравнением их с экспериментальными данными. Получено, в частности, удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных длин стримеров в промежутках с различной степенью неоднородности поля и разверток движения стримеров.

Анализ результатов численного расчета позволяет дать объяснение некоторым экспериментально наблюдаемым закономерностям распространения стримеров, что также подтверждает достоверность математической модели распространения отримера.

4. Средняя напряженность на длине стримера в момент его остановки (Еор) зависит от характера распределения внешнего поля в промежутке и от параметров элементарных процессов, определяющих скорость убыли электронов и уменьшение проводимости плазмы в канале стримера. При прочих равных условиях величина Еср снижается о увеличением степени неоднородности поля в промежутке. В длинных промежутках, характерных для реальных изоляционных конструкций,вели чина Еср снижается с повышением приложенного к промежутку напряжения. При напряжении, близком к минимальному напряжению возникновения стримерной короны, величина Еср составляет 7-8 кВ/см, а при повышении напряжения на 25-50$ - 4,5-5 кВ/см.

Скорость убыли электронов в канале стримера определяется,главным образом, процессами диссоциативной электрон-ионной рекомбинации, трехтельного и диссоциативного прилипания. Параметры этих процессов оказывают основное влияние на величину Еср. Известное из эксперимента увеличение Еср с повшением абсолютной влажности воздуха обусловлено увеличением константы трехтельного прилипания электронов к молекулам кислорода при участии молекул воды.

5. Чиоленными расчетами показано образование области повышенной напряженности в канале стримера вблизи анода. Напряженность поля достигает при этом значений на уровне 30 кВ/см, что вызывает новую вспышку ионизации и электронного возбуждения молекул, этот рас

- 165 четный результат объясняет наблюдаемое в эксперименте повторное свечение у анода, возникающее после прохождения головки стримера, а также позволяет качественно объяснить образование стебля короны.

6. Наблюдаемое в эксперименте распространение стримера после снятия напряжения на промежутке полностью подтверждается результатами численного расчвта. Самораспространение стримера оказывается возможным благодаря заряду, запасенному в емкости канала. Время самораспространения определяется временем релаксации этого заряда, зависящим от проводимости плазмы в канале отримера, и может составлять десятки наносекунд.

7. Для коротких промежутков численный раочет характеристик плазмы в канале стримера после замыкания стримером промежутка позволяет проследить за развитием разряда вплоть до нарушения электрической прочности.

В общем случае замыкание стримером промежутка не являетоя достаточным критерием нарушения электрической прочности и может приводить к двум различным исходам, а именно: к распаду плазмы в канале стримера либо к трансформации стримера в искровой канал. Условием трансформации стримера в искровой канал (нарушения электрической црочности) является превышение приведенной напрякенностью поля в канале стримера значений, необходимых для поддержания стационарного состояния. Последнее происходит за счет увеличения температуры газа и уменьшения концентрации молекул в канале при нагревании.

8. Минимальные разрядные напряжения в коротких промежутках определяются в результате численного расчета по условию трансформации стримера в искровой канал. Полученные расчетные значения минимальных разрядных напряжений удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями.

9. Предложенный в работе механизм образования лидерного канала позволяет объяснить наблюдаемое в эксперименте шнурование тока в

- 166 стебле короны. Из анализа вольт-амперной характеристики разряда в стационарном состоянии следует, что при разряде в атмосферном воздухе возможно развитие ионизационной неустойчивости, обусловленной ступенчатой ионизацией. Развитие ионизационной неустойчивости приводит к образованию отшнурованного канала с неравновесной плазмой. Оценка температуры газа и напряженности поля в отшнурованном канале дает значения, соответственно, Т^ЮООК, Е«5 кВ/см, согласующиеся с экспериментальными данными.

10. Предложенная модель распространения стримера дает принципиальную возможность разработки расчетной модели образования и продвижения лидерного канала, то есть является необходимым этапом в создании расчетных методов определения разрядных характеристик реальных высоковольтных изоляционных промежутков.

- 167

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гайворонский, Александр Сергеевич, 1984 год

1. Тиходеев Н.Н., Тушнов А.Н. Разрядные напряжения длинных воздушных промежутков, приближающихся к промежуткам на воздушных линиях и подстанциях. Электричество, 1959, № 2, с.6-9.

2. Александров Г.Н., Иванов В.Л., Редков В.П. Электричеокая прочность воздушных промежутков между проводами линии сверхвысокого напряжения и землей при коммутационных перенапряжениях. Элек- ■ тричество, 1965, № 4, с.20-24.

3. И ос her /1.1, /а Fotesi J, Saffined . Sviic-h;^ Salge /%sfiower о/ l/f/l/ iia/is/wih'en ('лj и fa ho*. — -IEEE Uwm. oy7 Pewer /}pftiotutes and S/ste*i& f №71, v. SO,p. J640-MM .

4. Александров Г.Н., Лысков Ю.Н., Редков В.П. Электрическая прочность воздушного промежутка между проводом и опорой при коммутационных перенапряжениях. Электричество, 1972, № 5, с.25-32.

5. Александров Г.Н., Герасимов Ю.А., Редков В.П. Электрическая прочность воздушных промежутков между проводами при коммутационных перенапряжениях. Электрические станции, 1974, № 4, с.36-38.

6. Электрическая прочность характерных воздушных промежутков и гирлянд изоляторов линий 750 кВ / Александров Г.Н. и др. В кн.: Дальние электропередачи 750 кВ, ч.1, 1974, с.131-140.

7. Александров Г.Н., Герасимов Ю.А., Редков В.П. Электрическая прочность системы воздушных промежутков между скрещивающимися проводами над землей. Электричество, 1975, $ II, с.15-19.

8. Александров Г.Н., Половой И.Ф., Герасимов Ю.А. О характеристиках электрической прочности ВЛ сверхвысокого напряжения и методике ее испытания. Электричество, 1976, № 12, с.13-20.

9. Киндяков B.C., Ленский В.А., Щербакова Г.А. Разрядные характеристики воздушных промежутков в облаоти малых вероятностей. -В кн.: Электрический пробой воздушной изоляции. М.,1982,с.69-77.- 168

10. Бурмистров М.В. Разброс пробивных напряжений воздушных промежутков с различной степенью неоднородности электрического поля. В кн.: Электричеокий пробой воздушной изоляции. - М.,1982, с.13-22.

11. Schneideb К., We^k И- Paiameies iftf(?ue/re/ij

12. С)йр factor, Repo^d pzes&iied io tte. Co££c?ju<'(//yi of CIGR£1. Sc. A/33 , PtJow , /S?3 .

13. Postiii/e. c/iscJiudtje in ait japs ai £e<> — diereb . E £ес!гс< , /$77, л/33 > />. 3/-/J3.

14. Александров Г.Н., Подпоркин Г.В. Методика оценки электрической прочности многоэлектродных изоляционных оистем по данным испытаний простых промежутков. Изв.АН СССР. Сер., Энергетика и транспорт, 1976, № 4, с.65-75.

15. Подпоркин Г.В. Методика учета коронирования расщепленного провода при оценке электрической црочности сложных изоляционных систем длинных воздушных промежутков. Изв.вузов. Сер.Энергетика, 1976, № 7, с.21-27.

16. Стекольников Н.С. Природа длинной искры. М.: АН СССР, I960. - 272 с.

17. Мик Дж., Крегс Дж. Электрический пробой в газах / под ред. В.С.Комелькова. Пер. с англ. М.: ИЛ, I960. - 605 с.

18. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах / под ред. В.С.Комелькова. Пер. с англ. М.: Мир, 1968. - 390 с.

19. Базелян Э.М., Горин Б.М., Левитов В.Н. Физические и инженерные основы молниезащиты. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 270 с.

20. Комельков B.C. Структура и параметры лидера. Изв.АН СССР, ОТН, 1947, № 3, с.955-960.

21. Комельков B.C. Развитие электрического разряда в длинных промежутках. Изв.АН СССР, ОТН, 1950, № 6, с.851-866.

22. Акопян А.А., Ларионов В.П. Экспериментальное изучение импульсного разряда в длинном промежутке. Электричество, 1952,№3,с.31-33.

23. Ларионов В.П. К вопросу о механизме импульсного разряда в длинном промежутке. Электричество, 1952, J6 7, с.46-51.

24. Ларионов В.П. Лидерная стадия искрового разряда. Электричество, 1961, № 8, 0.72-76.

25. Базелян Э.М. Измерение объемного заряда в начальных стадиях положительной длинной искры. ЖТФ, 1964, т.34, вып.3,0.474-483.

26. Базелян Э.М. Роль объемного заряда короны в формировании длинной положительной искры при импульсном напряжении. ЖТФ,1966, т.36, вып.2, с.365-368.

27. Si^e/ije. о/ ^Qtje. del тУге а/ l^rephyiies pf cjlsefiazye . ? 2/-25 шмя /57? ,

28. Се/гцц// A/2 , jo/J/) о J M /? ? С. /-20.

29. QoUt/n /<?it; /,; {/epwttM , /?, S^ec/го zeo/x'c ih</e${ij}Q-{(0* (?f impulse, eoro/i4 c//jc/?Qtje. Jot/t^oT' a/ft/iy&cs1b: JlpptieJ ptys/es , /574, v.?, */*,/> /So -<zm .

30. Базелян Э.М., Понизовский А.З. Напряженность электрического поля в канале лидера длинной положительной искры в воздухе.1. Co/iCj- 170

31. Энергетика и транспорт, 1980, № 6, с.109-113.32. /V. , JW P. J eis o/iic i/?Jerp t-etafio/i ditfe&pme/ii of tte SpQti c/ta/viof //? JtiSGS. -Posies lb: Jppfyed Pjtysres , /374, У 4, />.SZO-f29 .

32. Базелян Э.М. Формирование тока положительного лидера в воздухе. Изв.АН СССР, Сер. Энергетика и транспорт, 1982, № 3, с.82-85.

33. Базелян Э.М., Горюнов А.Ю. Лидерный процесс разряда в азоте при положительной полярнооти напряжения. Изв.АН СССР, Сер. Энергетика и транспорт, 1982, №4, с.75-80.

34. Pel гораG-.N. СолЗ-Jbtc/to» о/ в e/f'se/rtije. dur/*Jj impulse tfleale/vu/si . /Bb/Z/s/i УеиГжн? typf/ed Pht/*iet , /374 , V. tf, > P MB - /76.

35. G affel G., J,erojf Q., /С acey /? v A?tower Ge/?ere<£ e*. pi ess/on fo pof/J/ye. i'/npaPse wP/ec/ up to eniiG Iomj 4(1 ■ — . <?* Powerfippalaiules Оис/ Srs/ewf , /J7S , y. //6 , p>. /S&3 /333.

36. Александров Г.Н. Особенности развития искрового разряда в длинных воздушных промежутках. ЖТФ, 1969, вып.4, с.737-747.

37. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.Н. Некоторые задачи исследования лидерного пробоя в воздухе. Энергетика и транопорт, 1975, & 5, с.30-37.

38. Базелян Э.М. Возможности построения модели длинной искры. В кн.: Электрический пробой воздушной изоляции. - М., 1982,с.13-22.

39. Александров Г.Н. О механизме перехода коронного разряда в искровой в длинных промежутках. ЖТФ, 1965, т.35, № 7,с.1225-1228.

40. Афанасьев В.В., Добрянская В.А. Математическая модель процесса развития начальной длины непрерывного лидера в длинных воз- 171 душных промежутках. Электричество, 1975, № 3, g.12-14.

41. Вершинин Ю.Н., Ражанский И.М. Исследование начальной стадии разогревания лидерного канала. Электричество, 1976, № 6,с.46-50.

42. Gailimierl- I. The с/гаг о Meскалла£ ftt forty s/>at£s. , 2/-2S «/ею /S77,

43. Секция л/2 , jfOMaj л/22 , е. / -2D.44. 'towson G-J., IX/('л/1 IX/, А Д of S-/са/пел ^цоаj ait о п. Phys/J^ , /364 , V. /43 , е. /М- /7/.45 .ftaSS ег Е/-/е<'Siler- /V! /iotie/nfit/cag- fhySica £ е>/the I Ileaмег (л ярлал/'/огм — о/ /fo&eS

44. Phj&jCl, М74 , К MS, p. 3326 З+р/.46. Gattimtefti I. J

45. CJ/HjOt/Z-er /vvdeP /or еа/я er pbopayQ-fion . Уо«г/>*£ О/Phyjt'CS 7d : /372?1. Kf, a//2 ,/>. 2.//3 -2H3.

46. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. М.: Атомиз-дат, 1975. - 272 с.

47. Ьое& Sowe QSfec/з с>/ (СчеоЖс/ои/я s/lea/nerg PhySic& Реи. , /W4, V.S4-, M2, />. 2 27,

48. Омаров O.A., Рухадзе А.А., Шнеерсон Г.A. 0 плазменном механизме пробоя газов высокого давления в сильном постоянном электрическом поле. ЖТФ, 1979, т.49, вып.9, с.1997.

49. Омаров О.А., Рухадзе А.А. 0 проявлении плазменной стадии развития лавин при искровом пробое газов. ЖТФ, 1980, т.50, вып.З, о.536-540.

50. Методы расчета электростатических полей / Н.Н.Миролюбов, М.В.Костенко, М.Л.Левинштейн и др. М.: Высшая школа, 1963. -416 с.

51. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электричеоких и магнитных полей. М.: Энергия, 1970. - 376 с.

52. Ильин В.П. Численные методы решения задач электрооптики. Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1974. - 202 с.

53. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. - 392 с.

54. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. -М.: Энергия, 1975. 392 с.

55. Тозони О.В., Маергоиз Н.Д. Расчет трехмерных электростатических полей. М.: Энергия, 1972. - 346 о.

56. Колечицкий Е.С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 168 с.

57. Иванов В.Я. Численное решение задачи Дирихле для трехмерного уравнения Гельмгольца методом интегральных уравнений. Новосибирск, 1976. - 21 с. (Препринт / ВЦ Сиб.отд.АН СССР).

58. Поляков Г.Ф. Анализ и расчет электростатических систем / Метод функциональных параметров/. Новосибирск: Наука, 1976. -253 с.

59. Краснов М.Л. Интегральные уравнения. М.: Наука, 1975. -304 с.

60. Корн Г.К., Корн Т.К. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. - 832 с.

61. Новгородцев А.Б., Ражанский И.М. Раочет электрического поля электрооптического модулятора лазерного излучения. Изв.вузов.- 173

62. Сер.Электромеханика, 1977, № 3, с.252-255.

63. Вишняков Г.К., Смирнов Б.И. Электропередача 1150 кВ Эки-бастуз-Урал. Электрические станции, 1982, № 10, с.57-65.

64. Руденко Н.С., Сметанин В.И. Исследование развития стример-ного пробоя неона в больших промежутках. ЖЭТФ, 1971, т.61,вып.I, с.146-154.

65. Руденко Н.С., Сметанин В.И. Характеристики плазмы стримера в неоне. Изв.вузов. Серия "Физика", 1977, № 3, 0.65-69.

66. Руденко Н.С., Сметанин В.И. Механизм распространения стримера на основе плазменных колебаний. Изв.вузов. Серия "Физика", 1977, № 7, с.34-40.

67. Белоедов И.П., Иванов А.В., Колечицкий Е.С., Ларионов В.П. Измерение заряда стримерных образований положительного импульсного разряда. Электричество, 1981, № 6, 0.46-48.

68. Богданова Н.Б., Певчев Б.Г. Спектроскопические исследования факельного разряда при постоянном напряжении. Энергетика и транспорт, 1974, № 4, о.150-156.

69. Мак-Даниэль И. Процессы столкновений в ионизованных газах/ под ред. Л.А.Арцимовича. Пер.с англ. М.: Мир, 1967. - 832 с.

70. Грановский В.Л. Электрический ток в газе (Установившийся ток). М.: Наука, 1971. - 554 с.

71. Реплеу G.ltf., tfu/netf Q. T. PJio-ZocP/tHaicP/} /veajure/^e^i <'/t

72. Qtl , oxygen W trfloje*.- , /£70, ,p. S?Z -£79.- 174

73. Филиппов А.А. О применении теневого прибора ИАБ-451 к изучению предразрддных явлений в длинных воздушных промежутках. -ЖТФ, 1966, № 12, с.73-81.

74. Бройтман А.П., Омаров О.А. О механизме распространения стримера в сильных электрических полях. В кн.: Пробой диэлектриков и полупроводников. - Махачкала, 1980, с.45-50.

75. ГПсьode Е., bosiie* /"., /У. / nnjet if tie

76. Ctmer- irtc/ucec/ SJJQ1& fol^oi/on 6oSed o/r /t^Laf </ула/н<'с5. — Эоита С Jppfrec/ PJ,J Sic*, , -/37S

77. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1980. - 416 с.

78. Железняк М.Б., Мнацакян А.Х., Сизых С.В. Фотоионизация смесей азота и кислорода излучением газового разряда. ТВТ, 1982,т.20, J& 3, с.423-428.

79. Найдис Г.В. Фотоионизация в тлеющих разрядах в молекулярных газах. ЖТФ, 1982, т.52, вып.5, с.561-570.

80. Pi/'-iif^jer- Imfufae corona a/td f>ie -/>1еа6</ри/и phenvmefib of s . —No^nie, /#63 , К/07, с. //6S-//66.

81. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. - 664 с.

82. Энгель А., Штейнбек М. Физика и техника электрического разряда в газах, тт.1,2 / под ред. Н.А.Капцова. Пер.с нем.- М. Л.: ОНТИ, 1936. 485 с.

83. ГордиецБ.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. - 512 с.

84. Смит К., Томоон Р. Численное моделирование газовых лазеров. М.: Мир, 1981. - 515 о.

85. Бреев В.В., Двуреченский С.В., Пашкин С.В. Численное исследование нестационарных процессов высоковольтного диффузионного разряда. ТВТ, 1979, т.17, №2, с.250-255.

86. Александров Н.Л., Кончаков А.С., Сон Э.Е. Возбуждение электронных уровней в газоразрядной азотной плазме. ТВТ, 1979, т.14, вып.1, о.2IQ-2II.

87. Функция распределения электронов в смеси = ^ Н.Л.Александров, Ф.И.Высикайло, Р.Ш.Исламов и др. ТВТ, 1981, т.19, № I, с.21-27.

88. Расчетная модель разряда в смеси 2:®2 ~ ^ Н.Л.Александров, Ф.И.Высикайло, Р.Ш.Исламов и др. ТВТ, I9BI, т.19, № 3, с.350-358.

89. Высикайло Ф.И., Кочетов И.В., Певгов В.Т. Расчет электронных кинетических констант во влажном воздухе. ТВТ, 1983, т.21,6, с.875-880.

90. Релаксационные измерения и механизмы возбуждения электронно-колебательных уровней молекул в тлеющем разряде в азоте/ Л.С.Поляк, Л.Н.Словецкий, А.Д.Урбас и др. Химия плазмы, 1978, вып.5, с.151-157.

91. Смирнов Б.М. Отрицательные ионы. М.: Атомиздат, 1978. -174 с.

92. Александров Н.А. Отлипание электронов от 0" и Og на возбужденных молекулах в газоразрядной воздушной плазме. ЖТФД978, № 7, с.1428-1432.

93. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Дисооциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона. УФН, 1982, т.136, вып.1,с.25-56.

94. Кицкий В.И., Новиков К.П. Рекомбинационные и коммутационные свойства плазмы несамостоятельного тлеющего разряда в метане и- 176 азоте. Л.: 6-я Конференция по физике низкотемпературной плазмы, 1983, с.85-90.

95. Овоянников Л.В. Лекции по основам газовой динамики. М.: Наука, 1981. - 368 с.

96. Тамм И.Е. Ооновы теории электричества. Изд.9-е. М.: Наука, 1976. - 616 с.

97. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. - 736 с.

98. Андрианова Р.Л., Богданова Н.Б. Влияние влажности воздуха на среднюю напряженность электрического поля в стримерной зоне. В кн.: Электрический пробой воздушной изоляции. - Москва, 1982, с.64-69.