Методичка / Лабораторный практикум Техника Высоких Напряжений

3

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ВОЗДУХЕ В СИЛЬНО НЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ

Теоретические сведения

Самостоятельный разряд в газе. Основной причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, возникающая под действием электронов,

ускоряемых электрическим полем. В электроположительных газах невозможно образование отрицательных ионов, и поэтому интенсивность процесса ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации а, определяемым числом ионизации,

появляющихся под действием электрона на пути в 1 см вдоль силовых линий электрического поля. В электроотрицательных газах происходит потеря электронов за счет их присоединения к нейтральным частицам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом , который определяет количество присоединившихся к нейтральным частицам электронов на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации эф = − . Коэффициент эф(или ) зависит от напряженности электрического поля и плотности газа Эта зависимость может быть представлена в виде:

поэтому в неоднородном поле интенсивность ударной ионизации в различных точках промежутка неодинакова. Для развития разряда в газе необходим хотя бы один свободный электрон. После первого акта ионизации образуется два электрона, затем четыре и т. д. Этот постепенно увеличивающийся поток называется лавиной электронов. Число электронов в лавине

В процессе развития лавины в промежутке образуются положительные ионы, число которых равно − 1 и фотоны, возникающие в результате того, что электроны лавины возбуждают молекулы газа, а переход возбужденных молекул в нормальное состояние сопровождается излучением. Воздействие фотонов и положительных ионов на катод и фотоионизация в объеме газа приводят к появлению электронов, которые называются вторичными, так как они возникаютв результате вторичных процессов, связанных с

4

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Коэффициент у называется коэффициентом вторичной ионизации и в первом приближении может считаться величиной постоянной. Начальный электрон в газовом промежутке появляется либо за счет внешнего ионизатора (ультрафиолетового излучения солнца, космического излучения ит. д.), либо при распаде отрицательных ионов, которые всегда имеются в электроотрицательном газе и появление которых также обусловлено внешним ионизатором. Для того чтобы в дальнейшем разряд не зависел от внешнего ионизатора, начальной лавине необходимо за счет вторичных процессов создать хотя бы один вторичный электрон, который положит начало новой лавине с числом электронов не менее, чем в начальной. Разряд, не зависящий от внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Так как эф = ( ), а напряжение между электродами равно интервалу напряженности электрического поля вдоль любой силовой линии, в том числе и той, по которой развивается лавина электронов, то можно определить минимальное значение напряжения, называемое начальным, при котором выполняется условие самостоятельности разряда.

В однородном поле напряженность одинакова во всех точках промежутка. Поэтому,

если ионизация началась, она распространяется от одного электрода к другому, и

возникновение самостоятельного разряда обязательно означает полный пробой промежутка. Начальное напряжение в этом случае равно пробивному. То же самое происходит в квазиоднородных и слабонеоднородных промежутках.

В сильно неоднородных промежутках, таких, например, как стержень-плоскость,

стержень-стержень, провод-плоскость, провод-провод и т.п., в которых радиус кривизны одного или обоих электродов намного меньше межэлектродного расстояния, при выполнении условия самостоятельности возникает особая форма разряда – коронный, когда ионизация происходит вблизи одного или обоих электродов, если они оба имеют малый радиус кривизны. Возникновение коронного разряда не означает полного пробоя промежутка. Коронный разряд может иметь две формы - лавинную и стримерную.

Лавинная форма коронного разряда характерна для очень малых радиусов кривизны электродов (1-2 мм). При этой форме коронного разряда зона ионизации имеет более или менее однородную структуру, что приводит к выравниванию электрического поля в промежутке. При стримерной форме коронного разряда отдельные лавины сливаются и образуют узкие ионизированные каналы (стримеры), причем ионизация происходит в основном на концах этих каналов, а проходящий по ним ток приводит к существенному повышению их температуры, недостаточному, однако, для возникновения термической ионизации. Если температура превышает этот предел и в канале возникает термическая

5

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

ионизация, свойства его изменяются, и он называется лидером.

Полный пробой сильно неоднородного промежутка происходит при напряжении больше начального, т.е. при наличии развитой короны. Поэтому пробивное напряжение зависит от формы коронного разряда. При лавинной короне, выравнивающей электрическое поле в промежутке, пробивное напряжение существенно выше, чем при стримерной, при которой напряженность поля на концах стримеров всегда очень велика.

Влияние полярности в сильно неоднородном поле. Начальное напряжение в промежутке стержень-плоскость слабо зависит от полярности, но все же при положительном стержне оно несколько выше, чем при отрицательном, что объясняется следующим образом. Коэффициент вторичной ионизации при положительной полярности стержня определяется фотоионизацией в объеме газа, вызванной излучением лавины. При отрицательной полярности стержня определяется фотоионизацией как в объеме газа, так и на поверхности стержня. Тогда из уравнения самостоятельности разряда следует, что число электронов в лавине, необходимое для выполнения условия самостоятельности разряда,

при положительной полярности должно быть больше, чем при отрицательной. Число электронов в лавине возрастает с увеличением напряженности электрического поля у элек-

трода; следовательно, при положительной полярности стержня напряженность поля и,

соответственно, напряжение на промежутке должны быть больше, чем при отрицательной полярности.

Пробивное напряжение в промежутке стержень-плоскость, напротив, больше при отрицательном стержне, когда затруднено формирование стримера, необходимого для пробоя промежутка.

При положительном стержне объемный заряд имеет положительный знак

(электроны уходят на стержень) и располагается около стержня. При отрицательном стержне объемный заряд лавины имеет как отрицательную, так и положительную зоны и расположен около границы ионизации.

При определенной величине напряжения условия формирования стримера у положительного стержня будут обеспечены, т. е. результирующая напряженность у головки лавины достаточна для возникновения стримера. При этом же напряжении, но при отрицательном стержне результирующая напряженность существенно ниже, чем при положительном стержне, поэтому для формирования стримера, а значит, и пробоя промежутка, необходимо повышать напряжение.

Влияние барьера. Барьером называется диэлектрик (например, бумага), который помещается между электродами перпендикулярно центральной силовой линии электрического поля. Изменение пробивного напряжения промежутка при наличии барьера

6

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

вызвано изменением картины поля в промежутке вследствие осаждения ионов на поверхности барьера.

Если барьер расположен у стержня и касается его, ионизация в области, занятой им,

будет невозможна. Следовательно, для возникновения коронного разряда и последующего пробоя промежутка необходимо увеличить напряжение в зависимости от толщины барьера.

Если барьер установлен на некотором расстоянии от стержня, то он не повлияет на напряжение коронного разряда, который возникнет у стержня и приведет к появлению в промежутке между стержнем и барьером объемного заряда (электронов и положительных ионов). Заряды, имеющие знак, противоположный знаку стержня, движутся к нему, а

заряды того же знака движутся к барьеру и осаждаются на его поверхности. При увеличении напряжения величина заряда на барьере возрастает, а соответственно,

увеличивается и напряженность электрического поля между барьером и плоскостью, что приводит к пробою между ними, а значит, и к пробою всего промежутка. Наибольшая напряженность электрического поля и наибольшее количество заряда в лавине будут на центральной силовой линии. Вследствие этого наибольшая плотность осевшего на поверхности барьера заряда будет в точке пересечения центральной силовой линии поля с барьером. Напряжение между стержнем и барьером практически не отличается от начального напряжения этого промежутка, оно существенно меньше пробивного напряжения и слабо зависит от расстояния между стержнем и барьером. Следовательно,

пробивное напряжение промежутка стержень-плоскость с барьером определяется главным образом электрической прочностью промежутка барьер-плоскость.

Поле промежутка барьер-плоскость более однородно, поэтому его пробивное напряжение выше, чем у исходного промежутка стержень - плоскость.

Если барьер расположен близко от плоскости, пробивное напряжение определяется прочностью промежутка стержень-барьер, поэтому по мере приближения барьера к плоскости его влияние постепенно уменьшается.

Приведение разрядных напряжений к нормальным условиям.

Для получения сопоставимых данных при испытании изоляционных конструкций разрядные напряжения, измеренные при различных атмосферных условиях, приводят к нормальным условиям. В качестве нормальных приняты следующие атмосферные условия:

температура воздуха 0 = 0, атмосферное давление 0 = 760 мм.тр.ст., абсолютная влажность 11 г/м3 (давление водяных паров D=8,7 мм.рт.ст.).

При отклонении давления и температуры от нормальных разрядные напряжения приводятся к нормальным условиям делением измеренной величины на относительную плотность воздуха:

7

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Влияние влажности учитывается коэффициентом который находится из номограммы = (0).

Относительная плотность воздуха определяется отношением плотности воздуха при произвольных давлении и температуре = 273 + к плотности воздуха при нормальных

Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема установки представлена на рисунке 1.

Q1

220 В

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

Высокое напряжение промышленной частоты получается от высоковольтной установки АИИ-70 - без выпрямителя. Для получения выпрямленного высокого напряжения применяется однополупериодная схема выпрямления ( — выпрямленное напряжение; коэффициент схемы выпрямления = 0,45). Напряжение на ОИ:

где – значение напряжения по показаниям вольтметра V.

– коэффициент трансформации трансформатора Т.

Схема лабораторной установки, представленная на рисунке 1 включает в себя:

−Источник переменного напряжения 220 В;

−Вводной автоматический выключатель Q1;

−Лабораторный автотрансформатор АТ;

−Вольтметр переменного напряжения V;

8

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

−Магнитный контактор KM;

−Испытательный однофазный трансформатор Т;

−Высоковольтный однополупериодный выпрямитель VD;

−Объект испытания ОИ.

Вводной выключатель Q1 служит для коммутации цепи испытательной установки, а

магнитный пускатель KM необходим для дистанционного включения/отключения испытательного трансформатора T. Схема лабораторной установки снабжена реле, которое отключает установку при пробое объекта испытания ОИ. Кроме того, снаружи металлической клетки установлена сигнальная лампа зеленого цвета, которая сигнализирует о том, что на высоковольтную часть лабораторной установки подано напряжение.

При проведении лабораторных опытов необходимо помнить, что напряжение на высоковольтной части может достигать 100 кВ, поэтому при проведении опытов необходимо использовать средства индивидуальной защиты, которыми снабжена лаборатория.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться со схемой установки, расположением ее элементов и объектов испытания, с порядком проведения измерений и правилами безопасной работы на установках.

2.Определить коэффициент напряжения схемы высоковольтного трансформатора и выпрямителя, т. е. зависимость напряжения на выходе схемы от напряжения на первичной стороне трансформатора Т.

3.Снять зависимость начального 0 (напряжения короны) и пробивного р

напряжений от расстояния между электродами для промежутка стержень-плоскость при изменении его от 1 до 5 см при различных полярностях электродов. Полученные данные записать в таблицу. По результатам опытов рассчитать действительные значения и построить зависимости 0 = ( ), р = ( ) и ср = ( ) на одном графике.

4. Установить электроды на расстоянии 5 см друг от друга и расположить между ними барьер, измерить зависимости пробивного напряжения от расстояния между стержнем и барьером, изменяя расстояние через 1 см, при различных полярностях электродов. Полученные данные записать в таблицу 2. По результатам опытов построить зависимости напряжений от расстояния между стержнем и барьером, отметив на них пробивные напряжения при отсутствии барьера.

9

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Таблица 1 – Результаты опытов

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Схема установки.

4.Результаты измерений.

5.Векторные диаграммы.

6.Выводы.

Контрольные вопросы

1.Что такое лавина и стример?

2.В чем различие между несамостоятельным и самостоятельным разрядами?

3.В чем состоит физический смысл уравнения самостоятельности разряда?

4.Что такое начальное напряжение?

5.В чем основное различие между однородным и неоднородным электрическими полями?

6.Что такое слабо неоднородное поле?

7.Как влияет полярность напряжения на начальное и пробивное напряжения промежутка с сильно неоднородным полем?

8.Как объяснить влияние барьера на электрическую прочность промежутка стержень-

10