Описание лабораторных работ по ЭТМ

 
 

                                                                   
 

- коэффициент трансформации   высоковольтного трансформатора. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Лабораторная работа № 4

Определение истинной электрической  прочности твердых  диэлектриков 

      Электрическая прочность является одной из основных характеристик изолирующих материалов. Всякий диэлектрик, находясь в электрическом  поле, теряет изолирующие свойства, если сила электрического поля (напряженность поля) достигает некоторого критического значения.

      Это явление носит название пробоя диэлектрика  или нарушения его электрической  прочности. Электрическое напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а напряженность поля- пробивной напряженностью. Величина пробивного напряжения является мерой электрической прочности изоляционной конструкции ( слоя изоляции, образца, промежутка между электродами), а мерой электрической прочности материала служит пробивная напряженность электрического поля, т.е. величина пробивного напряжения, отнесенная к расстоянию между электродами

      Пробой  твердых тел может называться электрическими и тепловыми процессами, возникающими под действием поля.

      Явление электрического пробоя твердых тел  сводится к нарушению упругих  связей между зарядами, смещающимися  при приложении электрического поля.

      Величина  пробивного напряжения зависит от формы  электрического поля. В однородном поле пробивная напряженность достигает предельного значения для данного материала.

      Тепловой  пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика  под влиянием нагрева в электрическом  поле, что приводит к росту активного  тока, дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика, вплоть до его разрушения.

      На  величину пробивного напряжения при  тепловом пробое в сильной степени  влияет отвод тепла от диэлектрика, находящего под напряжением. Вследствие этого пробивная напряженность  диэлектрика будет падать с ростом его толщины, так как отвод тепла при увеличении толщины будет ухудшаться.

      При испытании на пробой может определяться истинная или средняя электрическая  прочность.

      Истинная  электрическая прочность получается при равномерном поле между электродами, а если поле неравномерно, то в результате получится средняя электрическая прочность.

      Если  лист испытуемого изоляционного  материала поместить между плоскими электродами и повышать напряжение до пробоя, то вероятнее всего пробой произойдет у края электрода, т.е. там, где из-за неравномерности поля повышена напряженность. Для того, чтобы получить значение истинной электрической прочности необходимо устранить краевой пробой. Это легко достигается путем утолщения диэлектрика у краев. Тогда, несмотря на сохраняющуюся неравномерность поля, напряженность у краев снижается и пробой произойдет в средней тонкой части там, где поле равномерно.

      Таким образом для получения значений средней электрической прочности, образцы листовых изоляционных материалов помещают между цилиндрическими электродами с закругленными краями и доводят напряжение до пробоя. 

Исследование  зависимости электрической  прочности твердых  диэлектриков от толщины 

      В технических диэлектриках всегда содержится некоторое количество дефектов –  газовые включения в виде пор различного размера, микротрещины, возникающие вследствие механических напряжений и другие включения инородных материалов, нарушающих однородность структуры.

      Кроме того целый композиционных электроизоляционных  материалов специально изготавливаются из смеси двух и более разнородных диэлектриков.

      Поэтому возможность определения истинной электрической прочности того или  иного материала связана с  возможностью получения достаточно однородных диэлектриков, что практически  трудно осуществить. Даже для таких твердых диэлектриков как фарфор и стекло нельзя обеспечить одинаковую степень однородности при разных толщинах изоляционного слоя. Более толстые слои, как правило, имеют большее количество дефектов. Поэтому электрическая прочность сказывается зависимой от толщины образца и месте пробоя.

      Для стекол, например, независимость от толщины при испытаниях в однородном электрическом поле удается получить только для очень тонких образцов в пределах от 0,05 до 0,2-0,5мм, когда число дефектов невелико.

      При создании высоковольтной изоляции приходится считаться с тем, что необходимую электрическую прочность для большой толщины монолитного диэлектрика получить не удается. Поэтому учитывая, что более тонкие слои диэлектрика имеют повышенную электрическую прочность, стремятся сделать изоляцию многослойной. А необходимую толщину получают за счет большого числа слоев. При этом прочностные характеристики изоляции получаются значительно выше, т.к., во-первых, тонкие слои сами по себе имеют повышенную электрическую прочность, а во-вторых, дефекты в отдельных слоях не совпадают; слабые участки перекрываются электрически более прочными участками.

      Характерным примером использования этого принципа является конструкция бумажно-пропитанной  изоляции различных высоковольтных устройств: кабелей, конденсаторов и др.

      Для иллюстрации зависимости электрической  прочности неоднородных диэлектриков от толщины (числа слоев) в данной работе проводится снятие зависимости  Е_пр = ¦ (h) пропитанной конденсаторной бумаги. 

            Подготовка образцов и проведение испытаний. 

      

1. Нарезать  из конденсаторной бумаги листочки с  примерным размером 10 х 10 см.
2. Сложить их в пачки с числом слоев 1, 2, 3, 4, 6, 9, 12.
3. Поместить первую подготовленную пачку между плоскими электродами в испытательную клетку и подсоединить их к выводам испытательного трансформатора.
4. Установить переключатель диапазонов измерения вольтметра в положение 75в.
5. Пустить схему нажатием кнопки "пуск".
6. Плавным вращением рукоятки регулятора напряжения РН поднять напряжение до пробоя. В момент пробоя зафиксировать показания вольтметра.

 

               Описание установки. 

      Схема испытательной установки показана на рисунке 14.

      Трансформатор высокого напряжения установлен на вертикальной стойке. Шина высокого напряжения от высоковольтного  вывода трансформатора спускается в испытательную клетку, дверца которой заблокирована блокировочным контактом ДК. При открывании клетки происходит автоматическое снятие напряжения с первичной обмотки трансформатора.

      Регулятор напряжения РН и схема управления находятся в блоке под клеткой. На лицевой панели этого блока находятся кнопки "пуск", "стоп", вольтметр, измеряющий напряжение на первичной обмотке ТВН, переключатель пределов измерения вольтметра, рукоятка регулятора РН и сигнальные лампы.

      В схеме предусмотрена блокировка от включения из ненулевого положения регулятора (контакты КВ, замыкающиеся при полностью выведенном положении регулятора РН). В момент пробоя происходит автоматическое отключение ТВН с помощью блокировочных контактов реле максимального тока РМ.    

 

Рис. 14

      П  -  кнопка "пуск";

                       КВ -  контакты конечного выключателя;

                          С -  кнопка "стоп";

                        ДК-  дверной контакт;

                        РМ - реле максимальное;

                          Л - линейный контактор;

                         ЛЗ- сигнальная лампа зеленая;

                         ЛК- сигнальная лампа красная;

                         АТ- регулятор напряжения;

                       ТВН- трансформатор высокого напряжения. 

   Расчетные формулы.

1. Пробивное напряжение:

                  U_пр = U₁×K             U_{пр  max} = U_пр×

где U₁ – первичное напряжения, измеряемое вольтметром;

           К – коэффициент трансформации  трансформатора.

         2.   Электрическая прочность: 

                  Е_пр=          Е_пр = Е_пр×

                h = ₁×n

где  n – число слоев в пачек;

        ₁ – толщина одного листа 

Контрольные вопросы 

1. Дайте объяснение зависимости Е_{пр мах} = ¦ (h).
2. Что такое истинная электрическая прочность диэлектрика?
3. Что такое средняя электрическая прочность диэлектрика?
4. Как зависит электрическая прочность однородных диэлектриков от однородности электрического поля?

Как зависит  электрическая прочность неоднородных диэлектриков от однородности поля?

        Данные вычислений и измерений  заносятся в таблицу. 

 

      По  результатам опытов строятся зависимости  U_пр.мах = ¦ (h) и Е_{пр мах} = ¦ (h).