Описание экспериментальной установки. Изучение электрической прочности газообразных и жидких диэлектриков:

Расстояние между электродами, мм

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы

Изучение электрической прочности газообразных и жидких диэлектриков:

1. Исследовать зависимость пробивного напряжения U_пр и электрической прочности Е_пр воздуха от расстояния между электродами в однородном и неоднородном электрических полях.

2. Определить электрическую прочность трансформаторного масла одним из стандартных методов и дать заключение об его пригодности.

Теоретическое введение

Пробой газов

Под действием электрического поля заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы газа) перемещаются в направлении поля или против него в зависимости от их знака и приобретают на длине свободного пробега дополнительную к тепловой энергию:

(1)

где Е – напряженность электрического поля; q – заряд частицы; λ - длина свободного пробега.

Если эта энергия становится равной или большей энергии ионизации газовых молекул W_и, то при столкновении с молекулой газа происходит ударная ионизация, т.е. расщепление молекулы на электрон и положительный ион. Освобожденный «вторичный» электрон под действием поля, в свою очередь, ионизует следующие молекулы газа, формируя, таким образом, электронную лавину.

Электронная лавина, достигая анода, интенсивно ионизует газ вблизи этого электрода, доводя его концентрацию до критической величины. Положительная ионная лавина начинает продвигаться от анода к катоду, насыщаясь электронами. Полученная плазма, достигая катода, производит генерацию свободных электронов из него. Эти новые носители заряда образуют устойчивый ток пробоя по проводящему плазменному каналу.

В однородном поле пробой газа наступает внезапно с образованием электрической искры, в неоднородном поле ему предшествует явление короны. Пробивное напряжение при однородном поле выше пробивного напряжения в неоднородном поле при прочих равных условиях. Кроме этого, пробивное напряжение и электрическая прочность газа зависят от рода тока, давления и химического состава газа.

Пробой жидких диэлектриков

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят от степени их очистки.

На величине электрической прочности Е_пр жидких диэлектриков весьма резко сказываются форма электродов и расстояние между ними. Поэтому измерение Е_пр электротехнических масел проводят в стандартном пробойнике – керамическом сосуде с латунными электродами: диаметр 25 мм, радиус закругления краев 2.5 мм, расстояние между электродами 2.5 мм.

Поскольку на электрическую прочность жидкого диэлектрика существенно влияют газовые включения, подачу напряжения после заливки масла в пробойник можно производить, выждав некоторое время, чтобы пузырьки воздуха успели выйти из жидкости.

Описание экспериментальной установки

Измерение пробивного напряжения и определение электрической прочности воздуха при постоянном напряжении выполняется с помощью генератора постоянного напряжения ГНВ1-01 (см. рис. 1). Максимальное напряжение, подаваемое на диэлектрик, составляет 20 кВ.

4. Порядок проведения работы

Изучение зависимости электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном (шар-шар, плоскость-плоскость) и неоднородном (игла-плоскость) электрических полях следует проводить, соблюдая приведенный ниже порядок работы:

4.1. Отключить генератор напряжения от сети (кнопка 10). Вставить электроды плоскость-плоскость в высоковольтную камеру генератора напряжения, открыв верхнюю крышку прибора. С помощью микрометра установить между электродами плоскость-плоскость начальное расстояние 0.5 мм, используя риски на его стержне. Нижняя неподвижная шкала микрометра, имея шаг 1 мм, показывает количество миллиметров, верхняя часть также имеет шаг 1 мм, но показывает среднее расстояние между делениями нижней шкалы, тем самым, позволяя точно установить величину 0.5 мм. Шкала на подвижной ручке соответствует шагу 0.01 мм. Расстояние 0.5 мм соответствует одному полному повороту подвижной ручки микровинта. Расстояние 1 мм соответствует двум полным поворотам ручки микрометра и т.д. Для установки требуемого расстояния необходимо электроды привести в легкое касание, после чего ручкой микрометра отвести один из них на нужное расстояние, повернув ее необходимое число оборотов.

1. Индикатор напряжения; 8. Кнопка “Режим”;

2. Индикатор перегрузки по току; 9. Кнопка “Сброс”;

3. Индикатор перегрузки по напряжению; 10. Кнопка выключателя

4. Блокировка; “Сеть”;

5. Связь с ЭВМ; 11. Индикатор режима

6. Кнопка “+/Пуск”; работы.

7. Кнопка “----”;

Рис. 1. Лицевая панель установки ГНВ1

4.2. Закрыть крышку прибора.

4.3. Включите кнопку “Сеть” 10 (Рис.1), при этом загорится индикатор напряжения 1 (---), через 20-30 секунд индикатор покажет (000). Прибор готов к работе. Если горит индикатор блокировки 4, либо открыта высоковольтная камера, либо она не установлена.

4.4. Кнопкой «Режим» включить автоматический режим измерения. Нажмите кнопку «Пуск». Рост напряжения будет происходить автоматически.

4.5. Следите за индикатором перегрузки по току. При его срабатывании, установленное напряжение генератора считается пробивным. Если сработал индикатор «Перегрузка по напряжению», необходимо выполнить п. 4.6 и повторить измерение еще раз.

4.6. Нажмите кнопку «Сброс», выключите прибор, откройте крышку и продуйте камеру.

4.7. Повторить пп. 4.3–4.6 три раза. Среднее арифметическое значение принимается за пробивное напряжение воздуха при данном расстоянии между электродами.

4.8.Меняя расстояние между электродами, измерить пробивное напряжение и определить электрическую прочность воздуха при расстояниях 0.5, 1, 1.5, 2 мм. При смене расстояния обязательно кнопкой «Сеть» отключать установку от сети.

4.9. Вставить в камеру электроды игла-плоскость и повторить пп. 4.1-4.8.

4.10. . Вставить электроды шар-шар и повторить пп. 4.1-4.8.

4.12. Результаты испытаний свести в табл. 1. Построить графики зависимости U_пр=f(h) и Е_пр= f(h) для трех типов электродов.

Обработку результатов выполнять в пакете MS Excel или Origin. Снятые с прибора данные занести в таблицы и рассчитать параметры. Графики зависимости U_пр=f(h) и Е_пр= f(h) для трех типов электродов аппроксимировать с помощью линейной функции и В-Spline функции (для нелинейной зависимости). Вставить графики в отчет, заполнить таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета ORIGIN (OPJ) или MS Excel) и отчет с именем: <фамилия И.О.>_5. Рабочая папка: D:/МиЭЭТ/<Номер группы>.

Таблица 1

5. Контрольные вопросы

1. Механизм пробоя газов.

2. Как и почему электрическая прочность воздуха зависит от формы электродов, расстояния между ними и давления?

3. Механизм развития пробоя жидких диэлектриков различной степени очистки.

4. Физическая сущность тепловой формы пробоя твердых диэлектриков.

5. Физическая сущность электрического пробоя твердых диэлектриков.

6. Какой диэлектрик имеет большую электрическую прочность – плотный или пористый? Почему?

7. Пленка поливинилхлорида при электрическом пробое разрушается при напряжении 1.5 кВ. Определить толщину пленки, если ее электрическая прочность равна 50 МВ/м.

8. Какую толщину должен иметь воздух, чтобы электрический пробой имел место при значении напряжения из задачи 7. Электрическая прочность воздуха 3 МВ/м?

9. При каком максимальном напряжении может работать слюдяной конденсатор емкостью С= 1000 пФ с площадью обкладок S= 6·10^-4 м², если он должен иметь четырехкратный запас по электрической прочности. Диэлектрическая проницаемость слюды ε = 7, ее электрическая прочность Е_пр= 100 МВ/м.

Лабораторная работа № 6

Далее ⇒