Электроснабжение. Изоляция и перенапряжения (стр. 2 )

Если принять р = const, то при росте расстояния между электродами (при этом снижаются напряженность поля и по экспоненциальному закону – коэффициент α) для выполнения условия αL = К необходимо увеличить напряжение. При уменьшении расстояния L для обеспечения условия самостоятельности разряда также нужно увеличить напряжение на промежутке [4]. При объяснении физического смысла этой закономерности следует иметь в виду, что область левой ветви зависимости (pL) обычно соответствует малым давлениям (разрежение), а не малым значениям L. При уменьшении р соответственно уменьшается число соударений электронов с нейтральными частицами. Чтобы не уменьшился коэффициент α, необходимо повысить вероятность ионизации и, следовательно, приложенное напряжение [3].

Описание лабораторной установки

Измерение разрядных напряжений в слабонеоднородном электрическом поле проводится на установке, содержащей электрическую и вакуумную часть (рис. 1.2).

Р и с. 1.2. Схема экспериментальной установки

В стеклянный сосуд помещен разрядник F – два шарообразных электрода с разрядным промежутком L = 1 см между ними. Напряжение на разрядный промежуток подается от повышающего высоковольтного трансформатора TV. Регулирование напряжения осуществляется с помощью регулятора напряжения Т, в качестве которого используется автотрансформатор. Напряжение на разрядном промежутке измеряется киловольтметром PV типа С-96. Для того чтобы во время разряда шарообразные электроды разрядника не повреждались током разряда (в промежутке возникает разряд, и газ находится в состоянии плазмы), в цепь включены ограничивающие ток защитные резисторы R.

Элементы T, TV, PV могут быть объединены в одном блоке, включая устройства защиты, в виде испытательной высоковольтной установки. В этом случае измерительный прибор PV включается на низковольтной стороне повышающего трансформатора и градуируется с учетом коэффициента трансформации.

Для откачки воздуха из сосуда используется роторный насос. Кран К позволяет регулировать давление в сосуде путем открытия его на требуемую величину (регулятор устанавливается в соответствующее положение). Для измерения давления в сосуде служит вакуумметр РР. Давление в сосуде равно разности атмосферного давления за вычетом показаний вакуумметра.

Порядок выполнения работы

1.  Ознакомиться со схемой испытательной установки и ее конструкцией.

2.  Произвести максимальную откачку воздуха из сосуда; это состояние определяется по установившимся показаниям вакуумметра при полностью открытом кране К.

3.  Определить напряжение пробоя между электродами Uпр. С этой целью, плавно увеличивая напряжение на межэлектродном промежутке со скоростью ≈ 1 кВ/с, зафиксировать значение Uпр по киловольтметру в момент зажигания разряда. Переключение пределов измерения киловольтметра С-96 производится с помощью штанги, установленной на изоляторе прибора. Шкала меняется путем поворота ручки с правой стороны прибора. Прибор имеет три предела измерения: 0 – 7,5 кВ; 0 – 15 кВ; 0 – 30 кв.

4.  Произвести изменения давления в сосуде от минимального до атмосферного значения (показания по шкале вакуумметра изменяются от максимального значения до нуля) с шагом ≈ 50 мм рт. ст.

5.  Повторить все измерения два-три раза до получения воспроизводимых результатов. Отключить установку и показать результаты преподавателю.

6.  Построить график зависимости в двойном логарифмическом масштабе. Поскольку испытания проводятся на переменном напряжении и киловольтметр показывает эффективное значение напряжения, а пробой происходит при амплитудном значении, вводится амплитудный коэффициент .

7.  На том же рисунке, где по опытным данным построен график , построить зависимость , используя выражение (1.3). Расстояние L принять по условиям опыта, величину давления р варьировать в пределах, позволяющих построить зависимость в логарифмическом масштабе (на специальной бумаге, выданной преподавателем). Для воздуха следует принять значения коэффициентов, входящих в формулу (1.3), А = 14,6 В/см·мм рт. ст., В = 366 В/см·мм рт. ст. [3, с. 24]. Коэффициент К принять из интервала 4 – 8,2 [4, с. 28].

8.  Сравнить опытные и расчетные значения Uпр. Сделать выводы.

Содержание отчета

1.  Схема испытательной установки с описанием основных функциональных элементов.

2.  Параметры окружающей среды.

3.  Таблица измеренных и обработанных данных.

4.  Графики, построенные на основе опытных и расчетных данных, на бумаге в логарифмическом масштабе.

5.  Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Какой разряд называется несамостоятельным, каковы условия его образования и существования?

2.  Какой разряд называется самостоятельным, каковы условия его образования?

3.  Объясните смысл коэффициентов α и γ. Как они зависят от напряженности электрического поля?

4.  Что такое подвижность заряженных частиц?

5.  Почему разрядное напряжение зависит от давления газа? Объясните физическую причину зависимости.

6.  Каковы условия возникновения ударной, термической и фотоионизации газа?

7.  Что такое рекомбинация и диффузия заряженных частиц?

8.  Как изменяются размеры лавины электронов при движении к аноду, каковы причины этих изменений?

9.  Каково влияние произведения αL на развитие самостоятельного разряда в газе?

10.  Объясните назначение элементов испытательной установки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Техника высоких напряжений: изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов / , , ; Под общ. ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1986. – С. 12-30, 56-62.

2.  Техника высоких напряжений / Под ред. . – М.: Энергия, 1976. – С. 16-27.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

РАЗРЯД В ВОЗДУХЕ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ

Цель работы – освоить методику испытаний на высоком напряжении и исследовать влияние формы электродов на разрядные напряжения воздушных промежутков.

Теоретические сведения

Существует понятие кратковременной и длительной электрической прочности в изоляционных промежутках.

Кратковременная электрическая прочность обычно рассматривается при плавном подъеме напряжения или одноминутном приложении напряжения, а также при импульсных воздействиях напряжения с длительностью импульсов до десятых долей (единиц) секунд; определяется для выбора конструкции изоляции, проверки изоляции, в том числе и по заданным грозовым импульсам и т. д.

Электрическая прочность при длительном приложении напряжения (длительная электрическая прочность) предполагает действие напряжения от нескольких часов до полного срока службы изделия, характеризует способность изоляции выдерживать рабочее напряжение в течение периода его эксплуатации и численно определяется электрическим напряжением (напряженностью электрического поля), приводящим к разрушению изоляции в конце срока службы.

В силу случайной природы разрядных процессов значения напряжений пробоя подвержены значительным разбросам, поэтому чаще всего определяются средние значения пробивного напряжения Uпр, которые характеризуются среднеквадратическим отклонением σ.

Кратковременная и длительная электрические прочности сильно зависят от конфигурации электрических полей в изоляционных промежутках, поэтому анализ электрических полей и выбор средств для их регулирования имеют большое значение при разработке изоляционных конструкций.

Для краткой характеристики электрического поля в изоляционном промежутке используется коэффициент неоднородности

kн = Еmax/Еср,

где Еmax – максимальная напряженность в промежутке; Еср = U/d – средняя напряженность в промежутке (U – напряжение между электродами, d – расстояние между электродами).

При отсутствии специальных мер электрические поля в изоляционных конструкциях высокого напряжения получаются, как правило, резко неоднородными (kн ≥4,0). Изоляционные промежутки с такими полями обладают рядом существенных недостатков. Так, в воздушных промежутках с kн ≥4,0 при относительно низких напряжениях возникает коронный разряд, сопровождающийся потерями энергии (особенно при повышенной влажности воздуха) и радиопомехами. Средние разрядные напряжения для таких промежутков при сравнительно малых изоляционных расстояниях (до 2 м) примерно в 4-5 раз ниже, чем для промежутков со слабонеоднородными полями. Для внутренней изоляции с резконеоднородными электрическими полями характерны относительно низкие напряжения возникновения частичных разрядов и, следовательно, низкие значения кратковременной и длительной электрической прочности. Характерная картина неоднородного электрического поля наблюдается у краев плоских конденсаторов (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Распределение эквипотенциальных поверхностей U и силовых линий V у края плоско-параллельного конденсатора. Стрелками показано направление

силовых линий электрического поля, т. е. от положительного потенциала

к отрицательному

Выравнивание электрического поля во всех случаях даёт повышение электрической прочности промежутков и позволяет сократить изоляционные расстояния в конструкциях.