Разряд по поверхности твердого диэлектрика в масле

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Н. Н. РОДИОНОВ

РАЗРЯД ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА В МАСЛЕ

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Методические указания

предназначено для подготовки бакалавров по направлению

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиля

«электроснабжение»

Сызрань

Филиал СамГТУ

2016

Печатается по решению научно-методического совета электротехнического факультета.

ББК 31 24

УДК 621. 3 048.

Разряд по поверхности твердого диэлектрика в масле: Техника высоких напряжений: методические указания / , – Сызрань. Филиал Самар. гос. техн. ун-т, 2016. – 18 с.: ил.

Представлена информация для теоретического и практического изучения электрического разряда по поверхности твердого диэлектрика в минеральном масле. Пособие соответствуют разделу курса дисциплины «техника высоких напряжений» и предназначено для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения, для подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электроснабжение».

Компентенции: ДПК-5, ПК-9.

Р е ц е н з е н т ы: канд. техн. наук ,

ББК 31 24

УДК 621. 3 048.

© , 2016

© Самарский государственный

технический университет, 2016

РАЗРЯД ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДЭЛЕКТРИКА

В МАСЛЕ

Цель работы – изучить закономерности развития электрического разряда по поверхности твердого диэлектрика находящегося в среде минерального масла; сопоставить экспериментальные зависимости с зависимостями напряжения перекрытия, представленными в литературных источниках.

1. Литературные теоретические и экспериментальные сведения

В высоковольтных электротехнических устройствах помимо широко используемой твердой изоляции находит значительное применение жидкая изоляция. Конечно, изоляция на основе твердых диэлектриков имеет, существенно, большую электрическую прочность, чем жидкие диэлектрики. Однако, применение последних, существенно улучшает работоспособность высоковольтных устройств: позволяет повысить рабочие напряжения, срок службы пористых и слоистых изоляционных конструкций. Часто твердые и жидкие диэлектрики работают совместно в одной и той же изоляционной конструкции. Например, проходные изоляторы в высоковольтных трансформаторах и конденсаторах; «верхняя» часть проходного изолятора находится на воздухе, а «нижняя» расположена в баке, т. е. в среде масла. Главная изоляция силовых трансформаторов – масло-барьерная, то есть картонные барьеры так же находятся в масле, которое заливается в бак трансформатора.

Разновидностью рассмотренного сочетания твердых и жидких диэлектриков является часто используемая бумажно-масляная изоляция кабелей с вязкой пропиткой.

Из рассмотренных примеров видно, что явления в высокопотенциальных полях имеющие место на границе раздела «твердый диэлектрик – масло» имеют значение для работы различных высоковольтных устройств и оборудования.

В маслонаполненных аппаратах граница раздела между твердым и жидким диэлектриком находится в условиях неравномерного поля. Основные характерные зависимости развития разряда по поверхности твердого диэлектрика справедливы, как при жидкой, так и газообразной (воздушной) среде окружающей диэлектрик. Однако величины разрядных напряжений (напряжений перекрытия диэлектрика) в случае жидкой среды (жидкого диэлектрика) окружающей диэлектрик, как правило, выше, чем при газообразном окружении (воздухом). Это следует из того, что электрическая прочность жидких диэлектриков выше, чем газообразных [1, с.136].

Как и при поверхностном разряде в воздухе, так и в жидкой среде, влияние твердого диэлектрика зависит от расположения его поверхности относительно силовых линий электрического поля и от конфигурации поля [2, с. 161].

В слабонеоднородных полях, если граница раздела «твердый диэлектрик – масло» проходит вдоль силовых линий, присутствие твердого диэлектрика незначительно меняет разрядное напряжение (рис.1а). При напряжении частотой 50 Гц и расстоянии между электродами менее 20 см разрядное напряжение снижается на 10 – 15%.

В случае резконеоднородного поля, со значительной нормальной составляющей к поверхности диэлектрика, общая картина электрического поля такая же, как при воздушном окружении (рис. 1 б, в).

Р и с. 1. Разновидности электрических полей при наличии твердого диэлектрика: а – практически, однородное поле – направление силовых линий в воздушной среде и в диэлектрике совпадают; б – неоднородное поле, но тангенциальная составляющая Et преобладает; в – резко неоднородное поле со значительной нормальной составляющей .

В случае резко неоднородного электрического поля, со значительной нормальной составляющей к поверхности диэлектрика, характер развития разряда такой же, как в воздухе. При подъеме напряжения в начале у острого края электрода возникает коронный разряд – «корона», возникают начальные частичные разряды. Коронный разряд может наблюдаться в виде отдельных слабосветящихся точек в области максимальной напряженности поля (по острому краю электрода). При повышении напряжения всплески искр имеют регулярный характер – устойчивая корона.

Коронный разряд на границе раздела двух сред оказывает разрушающее действие электроизоляционные материалы. При воздействии коронного разряда жидкие углеводороды и твердые диэлектрики разлагаются с выделением газообразных продуктов и сажи. В неорганических твердых диэлектриках за счет появления повышенных местных напряженностей электрического поля и температуры ускоряются процессы разрушения. Поэтому возможно допускать только кратковременное воздействие короны.

При дальнейшем повышении напряжения, коронный разряд переходит в поверхностный скользящий разряд, характеризующийся появлением на поверхности раздела твердого и жидкого диэлектриков светящихся нитей, при этом происходит значительный рост тока. С повышением напряжения длина каналов скользящего разряда быстро увеличивается, такой разряд производит интенсивное разрушение и его нельзя допускать, даже кратковременно. При росте напряжения происходит перекрытие диэлектрика – полный пробой на границе раздела двух диэлектрических сред [3, с. 92].

В общем случае на напряжение появления скользящих разрядов Uск в масле оказывают влияние такие характеристики твердой изоляции, как толщина d, диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика εтв, поверхностное и объемное сопротивления от которых зависит распределение потенциала по поверхности. Однако при частоте 50 Гц и импульсах практическое значение имеют лишь толщина и диэлектрическая проницаемость твердой изоляции, если поверхность твердого диэлектрика не имеет загрязнений и находится в чистом состоянии, масло не имеет примесей [2, с.161].

Частицы примесей вызывают местные искажения электрического поля, а перемещаясь или деформируясь, образуют цепочки – «мостики» в объеме между электродами, перекрывая разрядный промежуток или определенную его часть. Движение примесных частиц наблюдается в неоднородных полях и при приложении напряжения твердые частицы устремляются в область с повышенной напряженностью электрического поля [2, с. 150 - 154]. Вблизи каждой частицы существует местная неоднородность электрического поля.

Важнейшей загрязняющей примесью в технических маслах является влага. Повышение концентрации влаги сверх растворяющей способности масла приводит к образованию эмульсии, т. е. мельчайших капелек воды диаметром 0,01 – 0,1 мкм. Это вызывает резкое снижение пробивного напряжения. В результате эксперимента было установлено. При концентрации влаги 0,002 % электрическая прочность составила 12 кВ/мм, а при концентрации 0,015 % в три раза меньше 4 кВ/мм.

Капельки эмульгированной влаги под действием поля деформируются и вытягиваются вдоль силовых линий. При некотором напряжении капельки сливаются, образуя тончайшие каналы. Напряженность в масле между группами деформированных и слившихся капелек возрастает, и электрическая прочность масла снижается.

Минеральные масла способны растворять значительное количество газов, которые как влага и примеси снижают пробивное напряжение масла.

Важна роль распределенных по объему примесных частиц, она обуславливает зависимость электрической прочности масляных промежутков от «активного» объема масла, т. е. части объема масла между электродами. Перемещаясь из этого объема, примесные частицы могут участвовать в образовании «мостиков» (при длительных воздействиях) или в котором они, искажая поле без перемещения, могут способствовать развитию разряда. При неизменной концентрации примесей, увеличение «активного» объема приводит к снижению средней электрической прочности промежутка. В случае плоских параллельных электродов это практически весь объем масла, заключенный между плоскими электродами. Например, при изменении «активного» объема от 1,0 до 10 см3 прочность снижалась от 600 кВ/мм до 500 кВ/мм, при испытаниях на импульсах [2, с.154].

Для наиболее распространенных видов твердых диэлектриков применяемых в качестве изоляции εтв ≈ 4,0 – 4,5 были получены следующие эмпирические формулы для действующего напряжения в кВ и длины межэлектродного промежутка l в см, на промышленной частоте (толщина диэлектрика d, см).

Напряжение скользящих разрядов:

(1)

Длина скользящих разрядов:

(2)

При длине происходит перекрытие промежутка, поэтому разрядное напряжение определяется по выражению:

(3)

Формула (3) справедлива для см. При меньших расстояниях приемлема формула

(4)

где A зависит от толщины диэлектрика d .

Приведенные формулы относятся к случаю, когда край электрода, от которого распространяется скользящий разряд, и поверхность твердой изоляции открыты, т. е. соприкасаются с большим объемом масла. Если же край электрода и поверхность закрыты слоем дополнительной изоляции, то скользящие разряды развиваются в узкой щели между твердой изоляцией и дополнительным ее покрытием в данном случае в слое масла. В результате, разрядное напряжение снижается в 2 – 2,5 раза, по сравнению с рассчитанным по формуле (3). Образующиеся от разложения масла газы заполняют объем щели с маслом, и разряд идет по существу в среде газа; при испытаниях на импульсах А≈30-35 [2, с.162]. Согласно [1,с.137, рис.7.17] Uпр на импульсах примерно в 1,5 – 2 раза выше, чем при частоте 50 Гц.

В [1, с. 137] приводится выражение для расчета напряжения, при котором появляются скользящие разряды Uск по поверхности твердого диэлектрика в масле

(5)

где Uск – в кВ; d – толщина твердого диэлектрика в см.

Зависимость напряжения пробоя по поверхности твердого диэлектрика в масле, в зависимости от расстояния между электродами l, (при малых расстояниях) имеет вид аналогичный (4), при А=13,5.

Для ε = 4 и при толщине диэлектрика 1 мм, по опытным данным получено выражение

(6)

где U – в кВ; l – в см.

На рис. 2. приведены зависимости разрядных напряжений по поверхности твердого диэлектрика при различных его толщинах, в масляной среде, под диэлектриком находился металлический заземленный электрод.

Р и с. 2. Зависимость напряжения перекрытия в кВ от расстояния между электродами в см, при различных толщинах диэлектрика d в мм, бумажный диэлектрик находился в минеральном масле:

1 – 1 мм; 2 – 0,5 мм; 3 – 0,25 мм; 4 – - 0,1мм.

В [3, с. 100 - 101] рассматривается процесс появления коронных разрядов по поверхности твердого диэлектрика в масле, начиная со стадии коронных разрядов, даются выражения для определения напряжения перекрытия. Процессы рассматриваются для бакелито-бумажной изоляции на переменном токе промышленной частоты (значение диэлектрической проницаемости принято ε =4,5).

Для напряжения возникновения поверхностных разрядов дается выражение

(7)

где U – кВ, d – толщина диэлектрика, м.

При расчете напряжения перекрытия учитывается напряженность электрического поля. Напряжение перекрытия изоляции в масле при переменном напряжении подсчитывается по эмпирической формуле

(8)

где Uп – напряжение возникновения поверхностных разрядов, кВ; Eτ – тангенциальная составляющая напряженности поля при перекрытии; l – длина перекрываемого промежутка (расстояние между электродами).

Для диэлектриков с ε ≈ 4,0 – 4,5 значение Eτ можно принять в пределах 600 – 650 кВ/м.

Формула справедлива при межэлектродном расстоянии до 0,15 м.

Напряжение перекрытия имеет достаточно большой разброс, который особенно значителен на переменном токе частотой 50 Гц.

2. Описание лабораторной установки

В состав испытательной установки входит высоковольтное устройство АИД-70М позволяющее создать высокое переменное напряжение частотой 50 Гц, до 50 кВ. Блок-схема высоковольтного устройства представлена рис. 3.

Р и с. 3. Блок-схема высоковольтной установки

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

Опыты проводятся на плоских образцах стеклянного диэлектрика, в этом случае используются прямоугольные электроды.

Испытания проводятся в минеральном трансформаторном масле. Испытательные электроды, твердый диэлектрик-стекло, металлический лист для создания емкостной проводимости под диэлектриком помещаются в ванну с маслом. Металлический лист создает электрическую емкость, которая имеет место в проходном изоляторе между стержнем и крепежным фланцем.

Схема расположения указанных элементов и их подключение к электрической цепи показана на рис. 4.

 

Р и с. 4. Расположение электродов, диэлектрика; подключение

к выводам высоковольтного устройства.

Для установки фиксированных расстояний между электродами применяется набор пластин из органического стекла, толщина одной пластины 5,5 мм.

Подъем испытательного напряжения производится в «ручном» режиме со скоростью, примерно 1кВ/сек. При возникновении пробоя масла испытательная установка отключается автоматически.

3. Порядок выполнения работы

1. Ознакомится со схемой высоковольтной испытательной установки, ее конструкцией, способом управления и методикой измерения высокого напряжения. Установить цену деления измерительных приборов.

Испытания проводятся на переменном напряжении.

2. Измерить толщину твердого диэлектрика (стекла) с которым поводятся испытания. Измерить толщины калибровочных пластин, применяемых установки фиксированных расстояний между электродами для поведения испытаний.

Положить в испытательную ванну (на дно) металлическую пластину с подключенным к ней соединительным проводом. Провод соединить с электродом, который будет подключаться к заземлению. Второй электрод, через защитное сопротивление, подключить к высоковольтному выводу испытательной установки.

3. На металлическую пластину, уложенную в ванну осторожно положить стеклянную пластину. Поверх стеклянной пластины налить небольшое количество масла, так чтобы оно тонким слоем смочило всю поверхность пластины.

4. На поверхности пластины расположить оба прямоугольных металлических электрода, создающих неоднородное электрическое поле на поверхности стеклянной пластины.

5. Установить начальное минимальное расстояние между электродами (по указанию преподавателя). Добавить в ванну некоторое количество масла: а) чтобы верхняя плоскость испытательных электродов не закрывалась слоем масла; б) чтобы масло закрыло электроды полностью. Первое или второе условие выполнять по указанию преподавателя.

6. Поставить регулятор напряжения в начальное – нулевое положение, проверить правильность установки остальных регуляторов.

7. Повышать напряжение, примерно со скоростью 1 кВ/с, наблюдая за процессами, происходящими в объеме масла; если удастся зафиксировать момент появления скользящих разрядов, установить напряжение их появления. Продолжить повышение напряжения и определить напряжение перекрытия Uпр.

8. Проведя первый пробой, отключить испытательную установку, войти в испытательную ячейку, взять кисточку и осторожно перемещать масло вблизи электродов.

9. Установить новое расстояние между электродами, подождать пока успокоятся колебания масла, и провести новое испытания, согласно правилам, указанным в предыдущих пунктах.

10. После каждого испытания, проводить перемешывание масла используя «кисточку», прилагаемую к оборудованию лабораторной работы и выждать 1 – 2 минуты, для того чтобы среда масла между электродами пришла в равновесное состояние.

11. Продолжить испытания при различных расстояниях между электродами, провести 6 – 7 испытаний, желательно довести испытательное расстояние до 5 см.

12. Продолжить определение испытательного напряжения перекрытия Uпр, снижая расстояние между электродами от максимального значения до минимального (т. е. в обратном порядке).

13. При каждом испытании результаты заносить в таблицу. Затем для каждого расстояния определить среднее значение и занести в таблицу.

Таблица опытных данных Таблица 1

Номер опыта	1	2	3	4	5	6	7
Расстояние между электродами, l, см
Uск, кВ; при увеличении расстояния
Uпр, кВ; при увеличении расстояния
Uск, кВ; при уменьшении расстояния
Uпр, кВ; при уменьшении расстояния
Среднее напряжение пробоя Uпр, кВ

14. После выполнения эспериментальной части работы, обработки данных, расчета средних значений для всех опытных расстояний и занесения полученных величин в табл. 1, выполняется расчетная часть по формулам, представленным в подразделе 1, определяются напряжения пробоя.

15 Опытные значения пробивных напряжений наносятся на миллиметровую бумагу, и строится график зависимости опытных значений пробивного напряжения по поверхности твердого диэлектрика в масле от расстояния между электродами .

16. Расчетные значения напряжения перекрытия (пробоя) определяются по ранее рассмотренным формулам. Пробивные напряжения определяются для тех междуэлектродных расстояний l, при которых определялись опытные пробивные напряжения. Расчетные графики зависимостей следует строить совместно с графиком, построенным по опытным данным.

17. Первая расчетная зависимость определяется по формулам (1) и (3) – расчетные расстояния те же, что и в опытной части работы. Определяются отклонения расчетных значений Uпр от опытных данных, т. е. ΔUпр.

18. Вторая расчетная зависимость определяется по формулам (5) и (6). Остальные условия аналогичны предыдущему пункты.

19. Третья расчетная зависимость определяется по формулам (7) и (8). Остальные условия аналогичны п. 17.

20. Для каждой расчетной зависимости и опытных данных, после нахождения ΔUпр определить среднее значение отклонений ΔUпр. ср.

Расчетные значения Uпр и сравнительные данные Таблица 2.

Расчетные величины	1	2	3	4	5	6	7
Расстояние между электродами, l, см
Фор.(1)	Расчетное значение, Uск, кВ
Фор.(3)	Расчетное значение Uпр, кВ
Отклонения Uпр; ΔUпр, кВ
Фор.(5)	Расчетное значение, Uск, кВ
Фор.(6)	Расчетное значение Uпр, кВ
Отклонения Uпр; ΔUпр, кВ
Фор.(7)	Возник. Повер. раз. , Uп, кВ
Фор.(8)	Расчетное значение Uпр, кВ
Отклонения Uпр; ΔUпр, кВ

Представить средние значения для всех трех сравнений опытной зависимости с расчетными характеристиками:

ΔUпр. ср.1 = ……..; ΔUпр. ср. 2 = ……..; ΔUпр. ср. 3 = ……..;

21. Сравнить для какой расчетной зависимости наиболее достоверно соответствуют полученные опытные значения зависимости . Для сравнения использовать полученные для каждой расчетной зависимости и опытных значений величины средних отклонений ΔUпр. ср.

22. После проведения сравнений расчетных и опытных значений сделать выводы на основе информационных данных представленных в пункте 1 о вероятных причинах отклонения расчетных и опытных данных.

4. Содержание отчета

1. Краткое описание изучаемого явления и приведение основных расчетных формул.

2. Схема испытательной установки с кратким описанием основных функциональных элементов.

3. Данные по проведению опытов, таблица 1.

4. Расчетные данные по указанным зависимостям – формулам.

5. Графики с опытными и расчетными зависимостями.

6. Сравнение опытных и расчетных зависимостей с использованием ΔUпр. ср.

7. Анализ и выводы по работе согласно подразделу «Порядок работы».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Объяснить в каких электротехнических устройствах возникают разряды в объеме масла.

2.  Объяснить в каких устройствах возникают разряды в масле по поверхности твердого диэлектрика.

3.  Указать виды изоляций, которые пропитываются маслом или масляными составами.

4.  Объяснить с какой целью определенные виды электрической изоляции пропитываются масляными составами.

5.  Объяснить, как выглядят неоднородные электрические поля при работе опорных и проходных изоляторах.

6.  Объяснить механизм развития разряда в масле, в неоднородном электрическом поле.

7.  Указать какая составляющая неоднородного поля проходного изолятора наиболее существенно влияет на развитие перекрытия твердого диэлектрика в масле.

8.  Объяснить какие включения масла существенно влияют на напряжение перекрытия диэлектрика.

9.  Указать какое влияние на диэлектрик оказывает пробой по его поверхности.

10.Указать основные стадии развития разряда в масле по поверхности диэлектрика.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Техника высоких напряжений: Учеб. пособ. для вузов / Под ред. . - М.: Высш. школа, 1973. – 528 с.

2.  Техника высоких напряжений: Учебник для студентов электротехнических и энергетических специальностей вузов / Под общей ред. . – М.: Энергия, 1976. – 488 с.

3.  Расчет и конструирование электрической изоляции: Учеб. пособ. для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 393 с.

4.  Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов / , , ; Под общ. ред. . – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 464 с.

СОДЕРЖАНИЕ

1.  Литературные теоретические и экспериментальные сведения……….3

2.  Описание лабораторной установки……………………………………10

3.  Порядок выполнения работы…………………………………………..11

4.  Содержание отчета…………………………………………………...…15

Контрольные вопросы…………………………………………………..15

Библиографический список…………………………………………….16

Учебное издание

РОДИОНОВ Николай Николаевич

Разряд по поверхности твердого диэлектрика в масле

Техника высоких напряжений

Верстка

Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.

Усл. п. л. 1,0 Уч.-изд.

Тираж 50 экз.

______________________________________________________________________________________

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

443100 г. Самара, Молодогвардейская, 244. Главный корпус

Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

Филиал в г. Сызрани, 446,