Методичка / Лабораторный практикум Техника Высоких Напряжений

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

плоскость?

9.Как осуществляется измерение высоких напряжений при выполнении лабораторной работы?

10.Как определяется начальное напряжение?

11.Как определяется коэффициент напряжения высоковольтной схемы?

11

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО

ДИЭЛЕКТРИКА

Теоретические сведения

Разряд в газе или в жидком диэлектрике вдоль поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом. Разрядное напряжение по поверхности твердого диэлектрика зависит от рода диэлектрика, состояния его поверхности и формы электрического поля в промежутке между электродами. Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям:

−диэлектрик в однородном поле;

−диэлектрик в неоднородном поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности поля;

−диэлектрик в неоднородном поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности поля.

На рисунке 2а показано размещение диэлектрика в однородном поле. Поверхность раздела диэлектрика и воздуха расположена вдоль силовых линий электрического поля.

Диэлектрик, помещенный в однородном поле, казалось бы, не нарушает постоянства напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же,

как и для чисто воздушного промежутка.

В действительности разряд происходит по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке, что объясняется влиянием воздушных прослоек между диэлектриком и электродом. Так как В < Д напряженность в воздушной прослойке выше средней напряженности промежутка, то возникает ионизация,

частицы выходят на поверхность диэлектрика и способствуют развитию разряда.

Даже при плотном прилегании электродов к диэлектрику разрядное напряжение по поверхности остается более низким, чем в чисто воздушном промежутке, чему способствует адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большей поверхностной гигроскопичностью (например, стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы

(например, парафин, винипласт).

Вследствие гигроскопичности материала в диэлектрике всегда существует некоторый поверхностный слой адсорбированной влаги, имеющий очень большое, но все же конечное сопротивление. Так как вода обладает ионной проводимостью, то под

12

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

действием электрического поля ионы начинают перемещаться к электродам. Движение

ионов в микроскопически тонком поверхностном слое происходит весьма медленно.

а) однородное поле; б) поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности; в) поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности

Рисунок 2 - Характерные случаи расположения твердого диэлектрика в электрическом поле

Впервую очередь на электроды уйдут заряды с непосредственно прилегающих к ним участков поверхности. В результате вблизи каждого электрода создается избыточное скопление ионов того же знака, что и заряд электрода, это усиливает поле вблизи электрода,

иразрядное напряжение уменьшается. Так происходит при длительном воздействии напряжения, т. е. при постоянном или переменном напряжении. При импульсах электрическое поле в промежутке не успевает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере.

Вреальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень редко располагается в однородном поле, что используется для исследования характеристик разряда по поверхности диэлектрика при различной длительности приложения напряжения.

На рисунке 2б и 2в показано расположение диэлектрика в конструкциях с неоднородным полем. В первом случае (рисунок 2б), во всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень мелких участков вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля преобладает над нормальной составляющей , во втором (рисунок 2в) – нормальная составляющая много больше тангенциальной составляющей напряженности поля.

Расположение диэлектрика на рисунке 2б характерно для опорных изоляторов.

Электрическое поле в этой конструкции неравномерно. Гигроскопические свойства диэлектрика мало влияют на величину разрядного напряжения, поскольку процессы на его увлажненной поверхности могут лишь несколько увеличить и без того значительную

13

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

неоднородность поля. Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно заземлен.

Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается, и разряд начинается с электрода, находящегося под высоким потенциалом.

В конструкции (рисунок 2в), характерной для проходных изоляторов, у короткого электрода при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширяется, и на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабосветящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода. В конструкции

(рисунок 2в) в отличие от конструкции (рисунок 2б) стримерные каналы имеют значительно большую емкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходит сравнительно больший ток. При определенной величине напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов существенно увеличивается и становится возможной термическая ионизация. В результате сопротивление каналов разряда резко падает, интенсивность свечения возрастает. Такая форма стримерного разряда, при котором канал имеет высокую температуру,

обусловленную термической ионизацией, называется скользящим разрядом. Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико, поэтому потенциал электрода выносится по ним далеко вглубь промежутка. Ионизационный процесс захватывает все большую область. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого напряжения, и, наконец, процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами. Чем больше величина тока в канале скользящего разряда,

тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия. Величина тока, в свою очередь, при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду.

При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем значительнее,

чем больше величина этой емкости. Значит, при одинаковом расстоянии между электродами чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение по поверхности диэлектрика. В качестве величины, характеризующей емкость канала,

принимается удельная поверхностная емкость, то есть емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Емкость 1, обратно пропорциональна толщине диэлектрика:

14

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

где – удельное объемное сопротивление диэлектрика.

Поскольку удельная поверхностная емкость обратно пропорциональна толщине

диэлектрика, разрядное напряжение при постоянном расстоянии между электродами находится по формуле:

Множители 1, 2, 3, 4и показатели степени и – постоянные величины для рассматриваемой изоляционной конструкции.

Описание установки и объектов испытания

Принципиальная электрическая схема установки представлена на рисунке 3.

Q1

220 В

Рисунок 3 - Схема лабораторной установки Схема лабораторной установки, представленная на рисунке 3 включает в себя:

−Источник переменного напряжения 220 В;

−Вводной автоматический выключатель Q1;

−Лабораторный автотрансформатор АТ;

−Вольтметр переменного напряжения V;

15

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

−Магнитный контактор KM;

−Испытательный однофазный трансформатор Т;

−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.

Для определения коэффициента трансформации трансформатора Т необходимо использовать паспортные данные указанные на трансформаторе и выражение:

витков вторичной обмотки трансформатора; 1 – напряжение первичной обмотки трансформатора;

Разрядные напряжения на поверхности диэлектрика в неоднородном поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности изучаются на конструкции макета опорного изолятора (рисунок 4а). Электроды 1 и 2 представляют собой металлические кольца. В качестве твердого диэлектрика используется стеклянная трубка 3.

Один из электродов заземляется, к другому подается высокое напряжение. Для изменения расстояния между электродами производится перемещение подвижного кольца.

Для изучения поверхностного разряда в неоднородном поле с большой нормальной составляющей напряженности используется конструкция макета проходного изолятора

(рисунок 4б). Внутрь стеклянной трубки 3 помещается металлический стержень 4.

Напряжение подается между подвижным кольцом 2 и металлическим стержнем.

Влияние удельной поверхностной емкости на развитие разряда изучается с помощью конструкции (рисунок 4в). Напряжение подается к плоским электродам, расположенным на

16

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

диэлектрике, под которым помещена металлическая плоскость. Один из электродов и металлическая плоскость заземлены. Удельная поверхностная емкость регулируется изменением толщины диэлектрика.

l

d

в

1 — неподвижный электрод; 2 — подвижный электрод; 3 — диэлектрик; 4 - подвижный стержень

Рисунок 4 - Изоляционные конструкции для испытания

Порядок выполнения работы

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

2.Определить коэффициент трансформации испытательного трансформатора.

3.Определить для конструкции макета опорного изолятора (рисунок 4а)

разрядные напряжения по поверхности диэлектрика в зависимости от расстояния между электродами . Величину установить равной 2, 4, 6, 8 см, результаты занести в таблицу 3.

17

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

4.Определить для конструкции макета проходного изолятора (рисунок 4б)

разрядные напряжения по поверхности диэлектрика в зависимости от расстояния между электродами . Величину установить равной 2, 4, 6, 8 см. По результатам опытов построить кривые р = ( ) и р = ( ) для опорного и проходного изоляторов на одном графике.

Таблица 3 - Результаты опытов

5. Определить для конструкции (рисунок 4в) напряжение возникновения короны к, напряжение возникновения скользящих разрядов ск и разрядное напряжение

р при различном расстоянии между электродами и постоянной толщине диэлектрика .

Величину установить равной 2, 4, 6, 8, 10 см, заполнить таблицу 4. По полученным данным построить графики: к = ( ), ск = ( ), р = ( ), к = ( ) и ср = ( ).

Таблица 4 - Результаты опытов

короны к, напряжение возникновения скользящих разрядов ск и разрядное напряжение

18

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

р при различной толщине диэлектрика и постоянном расстоянии между электродами .

Расстояние установить равным 6 см. Данные занести в таблицу 5. По полученным данным

построить графики: к = ( ), ск = ( ), р = ( ), к = ( ) и ср = ( ).

Таблица 5 - Результаты опытов

7.Для полученных значений разрядных напряжений р занесенных в таблицы

4 и 5 заполнить таблицу 6.

Таблица 6 - Расчетные данные

Выражение (14) является уравнением прямой, поэтому графически можно определить показатель степени и log10 2, как показано на рисунке . Величина тангенса угла α соответствует показателю степени , а отрезок 0А равен log10 2. Тогда 2 = 10tgα.

19

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Лабораторный практикум

Аналогично определяются 3 и для выражения (11).

α А

Рисунок 5 - Графический способ определения и 2

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Схема установки.

4.Результаты измерений.

5.Векторные диаграммы.

6.Выводы.

Контрольные вопросы

1.Почему разрядное напряжение по поверхности твердого диэлектрика ниже разрядного напряжения чисто воздушного промежутка?

2.Объясните разряд по поверхности с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности поля. Приведите пример реальной изоляционной конструкции.

3.Объясните разряд по поверхности с преобладанием нормальной составляющей напряженности поля. Приведите пример реальной изоляционной конструкции.

4.Объясните влияние удельной поверхностной емкости на развитие разряда по поверхности диэлектрика.

5.Как измеряются высокие напряжения при выполнении лабораторной работы?

6.Какие меры применяются для увеличения напряжения перекрытия

изоляторов?

20