Лабораторная работа №5

Тема:

Расчет электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

Цель работы:

Изучить методику испытания твердых, газообразных и жидких диэлектриков на электрическую прочность и получить навыки в определении электрической прочности различных материалов.

ВРЕМЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ: 2 часа.

Место выполнения работы:

кабинет «Материаловедение».

Дидактическое и методическое обеспечение:

Инструкционная карта, образцы твердых диэлектриков, соединительные провода,

испытательная установка

1. Внеурочная подготовка.

1.1 Повторить пройденный материал раздела 3 " Диэлектрики”[2,cтр.94-190] и ознакомиться со схемой испытательной установки.

1.2 Подготовить титульный лист, тему, цель работы.

1.3 Зачертить схему испытательной установки и таблицу 1

1.4 Вычертить оси координат для графика U _пр.ср=f(h), избрав следующий

масссштаб:

для оси Х - h – 1 см = 0,25мм.

для оси У- U _пр.ср-1 см=2 кВ

1.5 Изучить технику безопасности .

1.2 Работа на уроке

1. Получить допуск на выполнение лабораторной работы.

2. Выполнить лабораторный опыт по методике выполнения .

3. Заполнить табл.1.

4. Построить график зависимости среднего пробивного напряжения от рас стояния между электродами.

5. Сделать выводы (при изменении расстояния между электродами).

6. Оформить отчет.

2.Методические указания

2.1 Теоретические сведения

1. Изоляционными материалами (диэлектриками) называются материалы основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. Они предназначены для электрической изоляции.

По агрегатному состоянию изоляционные материалы делятся на газообразные, жидкие и твердые.

В качестве газообразных диэлектриков используются газы, приведенные в таблице.

Количественные параметры газообразных диэлектриков

Газ	Химичес-кая формула	Полярность газа	ε на низких частотах	ρv , Ом/м	Tgδ	Епр газа Епр возд
Воздух	-	-	1,00059	1,7 · 1015	10-8	1
Водород	Н2	Нейтральный	1,00027	1015	-	0,6
Кислород	О2	-«-	1,00055	1015	4·10-6	0,9
Азот	N2	-«-	1,00058	1015	4·10-6	1
Гелий	Не	-«-	1,00007	1015	-	0,06
Аргон	Аr	-«-	1,00056	1,7·1015	-	-
Элегаз (гексафторид серы)	SF6	Полярный	1,00191	-	-	2,5
Фреон (дихлорди-фторметан)	ССl2F2	Нейтральный	-	-	-	2,6
Пары хлороформа	СНСl3	Полярный	-	-	-	4,4
Пары четырех хлористого углерода	ССl4	Нейтральный	-	-	-	6,4

Достоинством газообразных диэлектриков является восстановление электрической прочности после снятия пробивного напряжения и стабильность свойств во времени. При приложении к слою газа электрического напряжения в нем возникает ток проводимости. С дальнейшим повышением напряжения наступает пробой газа, который в однородном электрическом поле (система электродов шар-плоскость) происходит в виде искрового разряда (искры).

Пробой газообразных диэлектриков в неоднородном электрическом поле (система электродов острие-плоскость) происходит ряд промежуточных стадий неполного пробоя газа (электрическая корона, кистевой разряд).

Наиболее широко используется в технике элегаз поскольку он не токсичен, химически инертен (не вступает в химическое взаимодействие), не реагирует с металлами, не разлагается под действием воды, кислот и щелочей.

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло.

Трансформаторное масло - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав.

Трансформаторное масло предназначено для изоляции находящихся под напряжением частей и узлов активной части трансформатора, для отвода тепла от нагревающихся при работе трансформатора частей, а также для предохранения твердой изоляции от быстрого увлажнения при проникновении влаги из окружающей среды. Эксплутационные свойства масла определяются его химическим составом, который зависит от качества сырья и применяемых способов его очистки при изготовлении.

Для заливки трансформатора рекомендуется применять масло определенной марки. Однако допускается при соблюдении ряда условий производить заливку трансформаторов смесью масел.

Каждая партия масла, применяемая для заливки и доливки, должна иметь сертификат предприятия –поставщика, подтверждающий соответствие масла стандарту .Для масла, прибывшего вместе с трансформатором, соответствие стандарту подтверждается записью в паспорте трансформатора. Состояние трансформаторного масла оценивается по результатам испытаний, которые в зависимости от объема делятся на три вида:

испытание на электрическую прочность, включающее:

- определение пробивного напряжения ,качественное определение наличия воды, визуальное определение содержания механических примесей

сокращенный анализ, включающий кроме названных выше определение кислотного числа, содержание водорастворимых кислот, температуры вспышки и цвета масла,

испытания в объеме полного анализа, включающие все испытания в объеме сокращенного анализа, определение tg, натровой пробы, стабильности против окисления, а также количественное определение влагосодержания и механических примесей.

Пробу для испытания отбирают в сухие чистые стеклянные банки вместимостью 1 л с притертыми пробками, на которых укрепляют этикетки с указанием оборудования, даты, причины отбора пробы , а также фамилии лица, отобравшего пробу. Как правило, проба отбирается из нижних слоев масла. Методика испытания масла оговорена соответсвующими стандартами (ГОСТ6581-75*,6370-83, 1547-84, 6356-75*).

Для испытания жидких диэлектриков на электрическую прочность, применяют аппараты АМИ-60 и АИМ-80.

Качество масла, оценивается по следующим показателям, приведенным в таблице 2

Пробивное напряжение масла в эксплуатации должно быть не менее 35 Кв/мм для трансформаторов классов напряжения 60 …220 Кв, не менее 25 Кв/мм –для классов напряжения 20…35 Кв.

Твердые диэлектрики можно разделить по происхождению на природные (естественные) и искусственные; по химическому составу –на органические и неорганические (кремний содержащие).

Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое крити­ческое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возраста­ет до 10⁸Л/м^:, а сопротивление диэлектрика уменьшается до тако­го значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя U_пр называют пробивнъш напряжением, напряжен­ность электрического поля Е_пр - электрической прочностью

На практике пробивное напряжение удобно выражать в киловольтах, толщину диэлектрика - в миллиметрах, a электрическую прочность – в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедливы следующие соотношения

10⁶В/м =1 МВ/М=1 Кв/ мм

Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя

,

где U_пр- пробивное напряжение, кВ или мВ.

h- толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.

Электрическая прочность твердых диэлектриков зависит от их структуры, толщины, окружающей температуры и других факторов. Диэлектрическая прочность диэлектрика может быть повышена пропиткой его маслами, лаками или компаундами.

Электрическую прочность диэлектриков можно определяют на установке, схема которой изображенна на рисунке 1.

Если напряжение достигло значения U_пр, то сквозной ток рез­ко увеличивается даже и тогда, когда напряжение на электродах уменьшается (рис.1). Это обусловливается тем, что под действи­ем приложенного напряжения в диэлектрике происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление.

Вместе пробоя возникает искра, а при большей мощности источника - даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание диэлектрика .

Рис. 1- Зависимость сквозного Рис.2- Схема пробоя (/) и

тока от приложенного перекрытия (2) образца

напряжения при пробое твердого диэлектрика.

диэлектрика

При определении Е_пр твердого диэлектрика может произойти пробой по поверхности - перекрытие образца, т.е. поверхностный пробой (рис. 2). В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твердого диэлектрика. Напряжение поверхно­стного перекрытия зависит от свойств твердого диэлектрика, формы образца, электродов и закономерности пробоя окружающей среды.

Экспериментально определяемая величина Е_п зависит от тол­щины образца диэлектрика, формы и площади электродов, скоро­сти подъема и времени воздействия приложенного напряжения. Зна­чение Е_пр при постоянном токе может сильно отличаться от Е при переменном токе или от Е_пр диэлектрика при воздействии импульс­ных напряжений. На Е_пр влияют и другие факторы. Поэтому опреде­ление электрической прочности проводится стандартными метода­ми. Только при этом возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Для электрического пробоя твердых диэлектриков характерными являются следующие признаки. В сильных электрических

Рісунок 3-Зависимости Епр при электрическом пробое твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением (а) и от толщины образца (б)

полях в зависимости j(E) отсутствует «участок насыщения», ха­рактерный для газов и тщательно очищенных жидкостей (см. рис. 3). При увеличении Eпр ток перед пробоем растет экспонен­циально. Для самых различных по свойствам диэлектриков Епр изменяется в достаточно узких пределах (10⁷...10⁸ В/м). Значение Епр не зависит от свойств среды, окружающей диэлектрик. Элект­рическая прочность монокристаллических диэлектриков разли­чается при пробое вдоль различных осей монокристалла. Значе­ние Епр не зависит от времени выдержки образца под напряжени­ем и его толщины (рис..3). Пробой объемных образцов происходит в результате формирования одной лавины электро­нов и завершается в течение t = 10^-8... 10^-7 с (однолавиннын пробой). Поэтому при меньшем времени выдержки пробой не успевает за­вершиться, и Епр растет.

Значение Епр неоднородных по свойствам диэлектриков зави­сит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попадает в объем между электродами, и поэтому Епр уменьшается, что характерно для бумаги, картона и лакотканей, которые могут содержать различные включения с незначительным р, для пористой керамики, где воз­можна ионизация газа в порах.

Электрический пробой - это процесс, в результате которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Этот вид пробоя протекает в течение 10 ^-8...10^-5, т.е. почти мгновенно. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свободного пробега λ электрон в электрическом поле с напряженностью Е приобретает энергию W=еЕ λ, где е-заряд электрона. Если энергия W_и электрона достаточна для ионизации , то электрон при соударении с атомами , ионами или молекулами, из которых состоит диэлектрик, ионизирует их. В результате появляются новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем до энергии Wи Таким образом, количество свободных электронов лавинно возрастает, что приводит к резкому увеличению проводимости и электрическому пробою.