Лабораторная работа №7

"Исследование разряда по поверхности твердых диэлектриков"

7.1. Цельработы

Изучение характеристик разряда по поверхности диэлек­трика в зависимости от свойств диэлектрика, конфигурации поля, расстояния между электродами и воздействующего напря­жения .

7.2.Программа работы

Ознакомиться с установкой и правилами безопасности.

Задание 1. Определить влияние электрического поля на характер развития разряда.

Задание 2. Определить разрядные напряжения по поверх­ности диэлектрика в зависимости от расстояния между электродами.

Задание 3. Определить разрядные напряжения промежутков с помещенными между электродами цилиндрами, сна­чала использовать цилиндры, выполненные из гиг­роскопического диэлектрика, затем из малогигро­скопического диэлектрика. Определить ' средние разрядные градиенты напряжения Ecp=f (i ).

Задание 4. Определить напряжение появления короны и разрядные напряжения промежутков с преобладающей тангенциальной составляющей для 4-х значений меж-электродного расстояния при воздействии переменного напряжения.

Определить Ecp=f(i].

Задание 5. Определить напряжение возникновения короны, скользящих разрядов и разрядное напряжение для 4-х значений межэлектродного расстояния при воз­действии переменного напряжения в промежутке с преобладающей нормальной составляющей электриче­ского поля. Определить Ecp=f(l}.

Задание 6. Определить возникновения короны Uk напряже­ния, возникновения скользящих разрядов UCK и раз­рядное напряжение Up при различных значениях удельной поверхностной емкости.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Задание 7. Построить графики Up=f(l), EL.p=f(l) по резуль­татам 3, 4 и 5 опытов. По 6-му опыту построить график

Uск = f(l) ,Up=f(l) ,Ecp= f(l).

7.3.Теоретические сведения

Необходимость изучения разрядов по поверхности твердо го диэлектрика в воздухе связана с тем, что они обуславливают разрядные характеристики внешней изоляции. Напряжение разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в воздух практически всегда ниже разрядного напряжения воздушного промежутка такой же длины и конфигурации электрического по ля. Величина напряжения поверхностного разряда определяете длиной разрядного канала, конфигурацией электрического пол в промежутке, электрофизическими характеристиками и состоянием поверхности твердого диэлектрика, температурой, давлением и влажностью воздуха.

Все многообразие электрических полей изоляционных кон - струкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трём характерным случаям.

1. Равномерное поле (рис.7.1,а). Поверхность раздел, двух диэлектрических сред расположена вдоль силовых линий электрического поля.

2. Неоднородное поле с преобладанием тангенциально] составляющей напряженности поля во всех точках поверхности диэлектрика (рис. 7.1, б) .

3. Неоднородное поле с преобладанием нормальной со­ставляющей напряженности электрического поля (рис.7.1, в).

BH

б)

 

а)

Рис. 7.1.Система электродов с равномерным полем (а),преобладающей тангенциальной (б)и преобладающей нормальной (в) составляющей электрического поля.

Рассмотрим влияние остальных факторов на величину раз­рядного напряжения и на характер развития разряда относительно вышеперечисленных трех случаев.

Диэлектрик, помещенный в однородное поле (рис.7.1,а 7.2,а).

Идеальный диэлектрик, помещенный в равномерное поле, не нарушает постоянства напряженности поля, и пробой такого промежутка может произойти в любом месте - как по воздуху, так и вдоль поверхности диэлектрика. В первом случае раз-, рядное напряжение окажется таким же, как и для воздушного промежутка. В действительности разряд всегда происходит по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.

Однако, в действительности разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика и при напряжении, более низком, чем в воздушном промежутке. Значительную роль, в снижении раз­рядных напряжений играет адсорбированная диэлектриком вла­га, в котором содержатся диссоциированные ионы. В электри­ческом поле сравнительно медленно из-за малой проводимости увлажненного слоя происходит перераспределение зарядов на поверхности диэлектрика. Под действием приложенного к элек­тродам напряжения диссоциированные ионы, содержащиеся в ад­сорбированной диэлектриком влаге, перераспределяются по по­верхности диэлектрика, искажая градиент потенциала вдоль его поверхности. Поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. В результате этого значе­ние разрядного напряжения уменьшается. Материалы, обладаю­щие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, баке-лизированная бумага), дают большее снижение разрядных на­пряжений, чем мало гигроскопичные материалы (парафин, винипласт) . На импульсах электрическое поле в промежутке не ус­певает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере, чем при постоянном и. переменном напряжениях.

Помимо увлажнения поверхности диэлектрика большое влияние на значение разрядного напряжения могут оказывать воздушные прослойки между диэлектриком м электродами. В этих микро зазорах из-за разницы в диэлектрических проницаемостях воздуха и диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля и возникает ионизационный процесс. Про­дукты ионизации, выходя на поверхность диэлектрика, создают местное усиление поля, что приводит к значительному (иногда вдвое и больше) снижению разрядного напряжения. Следова­тельно, в реальных изоляционных конструкциях твердый ди­электрик очень редко располагается в однородном поле.

Чаще конструкция, показанная на рис. 7.1,а, 7.2,а ис­пользуется для исследования характеристик разряда по по­верхности диэлектрика.

Неоднородное поле с преобладающей тангенциальной составляющей (рис. 7,1,б, 7.2,б ) характерно для опорных изоляторов. Влияние гигроскопических свойств диэлектрика на величину разрядных напряжений в этом случае будет меньшим, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без то­го значительную неоднородность поля.

1

Конфигурация электрического поля с преобладающей нор­мальной составляющей напряженности характерна для конструк­ции проходного изолятора. Неоднородность поля в межэлек­тродном промежутке в этом случае выше, чем в рассмотренных ранее, и, следовательно разрядные напряжения ниже (рис,в, 7. 2, в).

2 1

 

a) E

Рис. 7.2 Конфигурация полей в реальных конструкциях

В неоднородном поле максимальное значение напряженно­сти имеет место вблизи электродов. В опорных изоляторах один электрод, обычно значительных размеров, соединен с "землей", второй электрод соединен с высоким потенциалом и возле него наблюдается Етах, откуда начинается разряд.

Гигроскопические свойства диэлектрика мало влияют на разрядные напряжения опорных изоляторов, поскольку процессы на их увлажненной поверхности могут лишь несколько увели­чить и без того значительную неоднородность поля. Не плот­ное прилегание диэлектрика к электродам в реальных конструкциях устраняется с помощью цементирующих замазок или эластичных прокладок.

Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно бы­вает соединен с заземленными конструкциями, имеющими значи­тельные размеры. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается и разряд начинается с другого электрода (шапки), находящегося под высоким потенциалом. Можно суще­ственно увеличить ир по поверхности такого изолятора с по­мощью внутреннего экрана, уменьшающего напряженность поля на электроде, находящемся под напряжением. На рис. 5.3. приведена зависимость Up от длины (L) внутреннего экрана при импульсных напряжениях обеих полярностей. Очевидно, что це­лесообразная длина внутреннего экрана определяется при по­ложительной и отрицательной полярностях.

 

Upmax, кВ

отрицательной полярности

Рис.7.3.Зависимость Up от длины 1 внутреннего экрана
при импульсных напряжениях обеих полярностей.

1-  при положительной полярности

2-  при отрицательной полярности

Так же, и в однородном поле, устройство ребер на по­-
верхности диэлектрика может значительно увеличить Up, при этом наибольшее значение имеют ребра, расположенные в об­ласти сильного поля, т. е. у незаземленного электрода опор­ного изолятора.

В большинстве изоляционных конструкций (проходные изоляторы, изо­ляции обмоток электрических машин и т. п.) поверхностный разряд протека­ет в условиях резко неоднородного поля с преобладанием нормальной со­ставляющей. Наличие большой напряженности на поверхности диэлектрика Ес приводит к значительному снижению разрядного напряжения (рис. 7.1,в),(7.2,)

Ионизация начинается в точке, где напряженность велика
(т. А), благодаря малому расстоянию между электродами, по­
этому уже при относительно небольших U на краю электрода!
возникает коронный разряд. При увеличении U светящиеся нити •
распространяются до противоположного электрода, и происходит
полный пробой промежутка. Эта последняя стадия получила на­
звание "скользящий разряд", т. к. каналы разрядов как бы
примыкают к поверхности диэлектрика, не отрываясь от неё на
всем пути между электродами.

Рис. 7.4 Распределение напряженности по поверхности проходного изолятора

Рассмотрим распределение напряженности поля по поверх­ности проходного изолятора (рис. 7, 4) . На эквивалентной схеме замещения С представляет собой емкость единицы по­верхности изолятора относительно электрода 2 и называется условной поверхностной емкостью, К - емкость между соседни­ми единицами поверхности изолятора. Из схемы замещения видно, что токи ic протекающие через емкости неодинаковы, в ре­зультате чего напряжение на поверхности изолятора распреде­ляется неравномерно и напряженность поля у края электрода 1 будет тем выше, чем больше отношение С/К.

Поверхностный разряд развивается следующим образом: (рис.7.5).

1. При некотором (начальном) напряжении у края элек­трода 1 начинается коронный разряд 2 в форме коротких пря­мых параллельных и плотно расположенных нитей - при положительном полу периоде, и в форме узкой светящейся поло­сы - при отрицательном полу периоде. Причем длина нитей про­порциональна приложенному напряжению. Возникает коронный разряд в виде полоски равного и неяркого свечения.

 

Lск 4

 

а)

 

б)

 

в)

 

Рис 7.5 Развитие поверхностного разряда

2. Увеличение напряжения приводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике много­численных слабосветящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. Характер разрядных процессов определяется величиной токов, текущих в разрядных каналах. При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называе­мая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свече­нием канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала электрода в глубь проме­жутка.

3. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивает­ся с повышением напряжения и процесс завершается перекрыти­ем промежутка между электродами. За счет значительного вы­деления тепла в канале разряда может произойти повреждение поверхности изолятора.

Величина тока в стримерном канале в наибольшей степени определяется емкостью канала по отношению к противоположно­му электроду. В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Очевидно, что чем выше удельная поверхностная емкость, тем больше ток, протекающий по каналу на зарядку этой емко­сти, поэтому выше проводимость стримерного канала и потен­циал на его конце, быстрее растет длина скользящего разряда и ниже напряжение разряда по поверхности. На постоянном на­пряжении до начала развития канала разряда влияние тока за­рядки поверхностной емкости практически отсутствует, поэто­му разрядное напряжение выше.

Напряжение перекрытия изолятора можно определить из выражения:

[7.1]

Или так как

[7.2]

где С0 - поверхностная емкость, Ф/см;

U - приложенное напряжение, кВ;

К - коэффициент, зависящий от рода напряжения (для положительных импульсов К= 39,10 ; для отрицательных им­пульсов

К=33 10 );

L из - расхождение между электродами.

Приведенное выражение показывает, что для увеличения напряжения перекрытия необходимо увеличивать длину изолято­ра и уменьшать его поверхностную емкость. На практике это реализуется применением материалов с меньшей диэлектриче­ской проницаемостью и изготовлением на поверхности изолято­ра ребер. Загрязнение поверхности изоляторов полупроводящи­ми осадками является одной из главных причин перекрытия изоляторов при рабочем напряжении. Загрязнение в сухом со­стоянии обычно не снижает ир. Под действием влаги загряз­нение приобретает новую проводимость. Проводимость этого слоя значительно выше проводимости воды. Отложение загряз­нений происходит при скоростях ветра, не превышающих 1-4 м/с.

Особенно опасным для изоляции являются уносы котель­ных, химических, металлургических, цементных заводов. Ради­ус зоны интенсивного загрязнения, считая от источника, со­ставляют 1-2 км, а для химических заводов до 2,5 км.

Увлажнение загрязнения происходит особенно сильно во время туманов, росы, моросящего дождя, таяния снега и голо­леда. Напротив, интенсивные дожди смывают загрязнения и очищают изоляторы.

Поскольку перекрытия происходят при загрязнениях и ув­лажнениях, говорят о грязеразрядном Urp или влагоразрядном UBp напряжениях изоляторов.

Основным конструктивным фактором, влияющим на "Up увлаж­ненного изолятора, является длина его пути утечки, которая может сравнительно просто регулироваться в широких преде­лах. Поэтому обычным путем борьбы с перекрытиями при за­грязнениях является нормирование достаточных длин путем утечки. Величина длины пути зависит от проводимости загряз­няющего слоя, его толщины и удельной электропроводимости.

Минимальные допустимые удельные длины пути утечки нормируются. Необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

aут. эф ут

Uф

где aут. эф – эффективная длина пути утечки ;

Uф - рабочее фазное апряжение ;

l у т - удельная длина пути утечки изоляторов, см/кВ.

Нормы на удельную длину пути утечки приводятся в таблицах. Длина удельных путей утечки находится в пределах:

l у т — (2,1¸6) см/кВ действ.

Чем больше значение тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и напряжение на не перекрытой части промежутка, тем быстрее растет длина скользящего раз­ряда и ниже оказывается напряжение перекрытия.

При переменном напряжении ток определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Очевидно, чем больше емкость, тем должно быть меньше раз­рядное напряжение, конечно, при постоянстве расстояния меж­ду электродами по поверхности диэлектрика.

В качестве величины характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по от­ношению к противоположному электроду. Поскольку удельная поверхностная емкость обратно пропорциональна толщине ди­электрика, разрядное напряжение может быть выражено так:

При неизменных толщине и материале диэлектрика раз­рядное напряжение зависит от расстояния L между электродами по поверхности диэлектрика

в общем случае

В (7: k e , k d, k, т, п - постоянные для расматриваемой конструк­ции величины.

Для приближенного расчета напряжений поверхностного разряда можно использовать следующие эмпирические формулы:

а) Действующее значение напряжения поверхностного раз - г
ряда промежутка с преобладающей тангенциальной составляющей
напряженности электрического поля:

Uр=7,83+3,91*L [кВ] ,

где L - длина разрядного промежутка, см. ,

Uр - разрядное напряжение, кВ эфф.

б) напряжение начала скользящих разрядов в промежутке с преобладающей нормальной составляющей напряженности электрического поля:

-4

где С - удельная поверхностная емкость в (Ф/см2)

Для плоского диэлектрика имеем:

где d - толщина диэлектрика, в см. ,

e - относительная диэлектрическая проницаемость (для стекла e =6) .

После подстановки (7.8) в (7.9) получим для плоского диэлектрика

0,44

[кВ эфф ] ,

в)разрядное напряжение при нормальной составляющей на­пряженности электрического поля, для плоского диэлектрика.

U р =14,2-r>J -

0,2

[кВ] ,

Для изучения разрядных напряжений в одиночном поле ис­пользуется промежуток между двумя дисками с закругленными краями (рис.7.2,a). В промежуток помещаются диэлектриче­ские цилиндры разной высоты, сделанные из гигроскопического и мало гигроскопического материала.

Разрядные напряжения по поверхности диэлектрика в неоднород­ном поле с преобладающей тангенциальной направленности изучаются на

конструкции, показанной на рис.7.6.

Электроды представляют со­бой металлические кольца 1. В качестве твердого диэлектрика используется стеклянная трубка 2. Одно из колец служит одно­временно для крепления стеклян­ной трубки к изолятору, другое может перемещаться по поверхно­сти трубки, при этом изменяется расстояние между электродами. Влияние внутреннего экрана на разрядное напряжение изучается на опорных изоляторах, один из которых имеет такой экран (рис.7.7).

Рис. 7.7 Опорные изоляторы с внутренним (а) экраном и без него (б)

Для изучения поверхностно­го разряда в неоднородном поле с большой нормальной составляю­щей напряженности внутрь стек­лянной трубки 1 помещается ме­таллическая трубка 2 (рис.J).Q) таким образом, чтобы внутренний конец ее находился примерно по середине стеклянной трубки. На­пряжение подается между кольцом 3 и металлической трубкой. Пе­ремещая кольцо по поверхности стекла, можно изменить расстоя­ние между электродами. Удель­ная поверхностная емкость в этом устройстве не изменя­ется.

 

Рис.7,8 Макет изолятора

1- стеклянная трубка

2- Металлическая трубка

3- кольцевой электрод

 

Рис. 7.63 Макет опорного изолятора:1 – электроды,2 - диэлектрик

7.6 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. По результатам опытов п. З построить графики Up=f (I) . Определить средние разрядные градиенты напряжения и построить графики Ecp=f(I).

2. Построить графики Up=f(l) по результатам опытов п.4 и по формуле (7,4). Определить Еср и построить график Ecp=f(l) . Построить графики UK=f (i ) и UCK=f(l) .

3. По полученным данным зависимости Up=f(l) п.1,2 построить эту зависимость в логарифмических координатах и, пользуясь этим построением, определить значения коэффициентов k и п в уравнении 7,5.

4. Построить графики UCK=f(l) и Up=f (I ) по результатам опытов п. б и расчета по формулам (7.10,7.11) . Определить

средние разрядные градиенты £ср и построить график Eop=f(l) .

Построить графики UK=f(I) .

5. В логарифмических координатах построить зависимость

Up=f(£) и пользуясь этим построением, определить значение коэффициентов ke и. m по формуле (7.4) .

6. Проанализировать полученные зависимости и сделать выводы о характере разрядных процессов.

2.7. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Ра с с читать и построить, графики Up=F( l ) , средних разрядах градаиевнтов Еср= f( e ), где Еср=Ucр/e, для пп.2., 2.6.4,2.6.5.

2.7.2. По полученным данным зависимости Up=F( l ) п.2.6.
построить эту зависимость в логарифмических координата и, пользу-
ясъ этим построение, определить значения. коэффициентов К и N урав-
нении 2.5.

2.7.3. По полученным данным опыта 2.6.6 построить график U р= F(d ) , а также график Еср=Ucр/e= F(d )

В логарифмических координатах построить зависимость F (d) и пользуясь

этим построением, определив значение коэффициентов R. L.m по формуле 2.4. ^'

2.7.4. Дать сравнительный Анализ хода ожидаемых и полученных экспериментально зависимостей по. п. п.: 2-.6.2-2.6,6

7.7 Контрольные вопросы

2.8.1. Покажите, что результаты измерения оказываются приведенными к нормальным атмосферным условиям, если не вводить поправку на : них при определении коэффициента трансформации.

2.8.2. Чем можно объяснить, что разрядные напряжения в опытах по п. п. 2.6.2. не совпадают с результатами расчетов?

2.8.3. Каким образов в опытах 2.6.3 можно было бы устранить влияние неплотного прилегания диэлектрических цилиндров к электродам?

2.8.4. Сопоставьте средние разрядные градиенты, полученные в опытах по п. п. 2.6.2 и 2.6.3, и, объясните результаты сопоставления.

2.8.5. Поясните влияние экрана в опыте п. 2.6.4. Какие еще применяют меры для повышения разрядного напряжения опорных изоляторов?

2.8.6. Сопоставьте результаты опытов п. п. 2.6.4. и 2.6.5 и объясните полученныо различие.. 2.8.7. Проанализируйте как изменяются U к.U(к) U р в опытах п.2.6.6 при увеличении d . Объясните. ход этих зависимостей.

2.8.8. К какой. величине будет приближаться Еср, если увеличить d?
2.8.9. Какие применяются меры для увеличения напряжения перекры­-
тия проходных, изоляторов?

2.8.10. Какой материал по данным опыта п, 2.6.3 более гигроскопичен и чем можно это обьяснить?

**