Электроснабжение. Изоляция и перенапряжения (стр. 5 )

Таким образом, при неизменной частоте напряжение возникновения скользящих разрядов слабо зависит от расстояния между электродами по поверхности и в основном определяется толщиной диэлектрика d, его диэлектрической проницаемостью ε и удельным сопротивлением ρs.

Напряжение скользящего разряда Uск, кВ определяется по формуле [6]

, (3.3)

где d – толщина твердого диэлектрика, мм; ε – относительная диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика.

Перекрытие – полный пробой по границе раздела двух диэлектрических сред, разряд достигает второго электрода. Перекрытие межэлектродного промежутка по поверхности происходит в случае, когда длина нитей скользящих разрядов становится равной расстоянию между электродами.

При перекрытии в силовых электроизоляционных конструкциях за короткий промежуток времени выделяется значительное количество энергии, которая оказывает отрицательное действие на работу электротехнической аппаратуры. Например, перекрытие твердой изоляции в масле приводит к резкому повышению давления внутри бака маслонаполненного устройства, что при неблагоприятных сочетаниях может вызвать его взрыв.

Описанные разряды по границе раздела двух сред четко прослеживаются в резко неоднородном поле. Наибольшее значение в практике имеют разряды на границах «твердый диэлектрик – воздух» и «твердый диэлектрик – масло».

Напряжение разряда Uр, в В, перекрывающего поверхность диэлектрика, может быть определено по эмпирической формуле Теплера [4]:

, (3.4)

где k – коэффициент, зависящий от свойств и состояния поверхности диэлектрика и частоты приложенного напряжения; L – расстояние между электродами, м; D – толщина диэлектрика, м; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; εо – электрическая постоянная, равная 8,85 · 10 – 12 Ф/м.

Напряжения перекрытия имеют достаточно большой разброс, особенно при переменном напряжении частотой 50 Гц.

Если удельная емкость диэлектрика (емкость единицы поверхности) мала по отношению к электроду «В» (ток смещения мал), то напряжение возникновения скользящих разрядов будет достаточно высоким, приближающимся по величине к разрядному напряжению по поверхности диэлектрика. К увеличению напряжения возникновения скользящих разрядов приводит также уменьшение поверхностного сопротивления ρs вследствие более равномерного распределения напряжения вдоль поверхности диэлектрика.

Для промышленной частоты 50 Гц в случае плоского диэлектрика из стекла или фарфора с сухой поверхностью напряжение возникновения скользящих разрядов может быть найдено по эмпирической формуле, учитывающей только удельную емкость диэлектрика С1:

(3.5)

Формула (3.5) применима в случае выполнения условия

(3.6)

где ε – диэлектрическая проницаемость изоляционного материала, равная 7 для стекла и 6 – для фарфора; D – толщина изоляционного материала; ε0 = 8,85ּ10 - 12 Ф/м – электрическая постоянная.

При постоянном напряжении емкостные токи отсутствуют, и разрядные напряжения по поверхности диэлектрика обычно близки к напряжению пробоя чисто воздушного промежутка.

Описание лабораторной установки

Определение напряжения возникновения скользящих разрядов и разрядного напряжения по поверхности твердого диэлектрика проводится при подключении металлических электродов к испытательной высоковольтной установке. Один из электродов подключается к заземлению, а другой – через защитное сопротивление Rзащ к высоковольтному выводу испытательной установки.

Р и с. 3.3. Схема экспериментальной установки

Измерение напряжения ведется на низкой стороне трансформатора TV, но вольтметр PV проградуирован с учетом коэффициента трансформации, и показания вольтметра соответствуют напряжению на электродах. Регулировка прикладываемого к электродам напряжения производится с помощью регулятора – автотрансформатора Т.

Опыты проводятся на плоских образцах стеклянного диэлектрика, в этом случае используются прямоугольные электроды. В другом случае применяются цилиндрический диэлектрик (фарфоровая трубка) и трубчатые электроды. Схемы расположения электродов и диэлектриков представлены на рис. 3.4.

Р и с. 3.4. Расположение электродов на испытуемых диэлектриках:

а и б – при малой емкости единицы поверхности диэлектрика относительно электродов; в и г – при большой емкости единицы поверхности диэлектрика относительно одного из электродов; 1 – электроды; 2 – лист стекла; 3 – фарфоровая трубка; 4 – стержень

При расположении электродов, показанном на рис. 3.4, а, б, единица поверхности диэлектрика обладает малой емкостью по отношению к электродам, и скользящие разряды при этом отсутствуют практически вплоть до разряда по поверхности диэлектрика. Если же емкость поверхности диэлектрика по отношению к одному из электродов велика (рис. 3.4, в, г), то при определенном напряжении можно достаточно отчетливо наблюдать скользящие разряды в виде светящихся нитей. Напряжение возникновения скользящих разрядов при этом будет ниже разрядного напряжения по поверхности и практически не будет зависеть от расстояния между электродами, расположенными на поверхности диэлектрика.

Ввиду малой мощности испытательной установки образование устойчивого дугового разряда не допускается, поэтому определение разрядного напряжения по поверхности определяется по появлению первой искры, перекрывающей межэлектродный промежуток.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой испытательной установки, ее конструкцией и отдельными элементами.

2. Определить зависимость напряжения возникновения скользящих разрядов и разрядного напряжения по поверхности плоского диэлектрика от толщины слоя диэлектрика. В качестве диэлектрика использовать листы стекла, на листы установить прямоугольные электроды. Количество листов изменять в пределах от 1 до 5. Толщину диэлектрика определять путем непосредственного измерения. Расстояние между электродами сохранять постоянным в пределах 3-5 см при всех толщинах диэлектрика. В опыте использовать схему испытаний рис. 3.3, а.

3. Повторить опыт, описанный в предыдущем пункте, но по схеме расположения элементов согласно рис. 3.3, в. В этом случае емкость поверхности диэлектрика относительно высоковольтного электрода увеличивается.

4. Выполнить расчет напряжения скользящих разрядов в зависимости от толщины диэлектрика по формуле (3.5).

5. Построить на одном рисунке три зависимости : две опытные зависимости, полученные по схемам рис. 3.4, а, в, и расчетную зависимость, полученную по (3.5). Сравнить полученные зависимости, сделать вывод.

6. Определить зависимость напряжения возникновения скользящих разрядов и разрядного напряжения по поверхности плоского диэлектрика от расстояния между электродами. Толщина диэлектрика во всех опытах должна быть постоянной (от 1 до 3 стеклянных листов, уточняется преподавателем). Расстояние L изменять в пределах от 1 до 6 см (уточняется преподавателем). Провести измерения по схемам рис. 3.4, а и рис. 3.4, в.

7. Величину коэффициента k в формуле (3.4) определить на основании опытных данных, полученных для расстояния между электродами L = 6 см. Используя полученный коэффициент, провести расчет зависимости для всех опытных расстояний L.

8. Построить на одном рисунке три зависимости : две опытные зависимости, полученные по схемам рис. 3.4, а, в, и расчетную зависимость, полученную по (3.4). Сравнить полученные зависимости, сделать вывод.

9. Сравнить напряжения скользящих разрядов с разрядными напряжениями по результатам опытов, проведенных по схемам рис. 3.4, а и рис. 3.4, в. Использовать цифровые данные, представленные в таблицах.

10. Провести опыты по определению зависимостей напряжения возникновения скользящих разрядов от разрядного напряжения при различных расстояниях между электродами, используя схемы включения электродов, представленные на рис. 3.4, б и рис. 3.4, г. В опытах использовать фарфоровую трубку и металлический стержень. Построить на одном рисунке зависимости и . Сравнить напряжения скользящих разрядов и разрядные напряжения для двух используемых схем опыта, а также сравнить характер зависимостей опыта с аналогичными зависимостями, полученными для плоского диэлектрика (п. 5-7).

Содержание отчета

1.  Схема испытательной установки с описанием основных функциональных элементов.