Лабораторная №5

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Лабораторная работа №5

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА

Выполнили студенты группы 5А8Д ______________ Нагорнов А.В.

(дата) Сучков М.А

Сироткин Т.Э.

Орешков Д.Г.

Панов И.В

Проверил к.т.н., _______________ Мытников А.В.

доцент ОЭЭ ИШЭ (подпись) _______________ (дата)

Томск-2021

Цель работы

Экспериментальное изучение разряда по поверхности твердого диэлектрика в зависимости от конфигурации электрического поля, расстояния между электродами и толщины диэлектрика.

Краткие сведения

Характерные случаи электрических полей изоляционных конструкций:

1. Равномерное поле. Поверхность раздела двух диэлектрических сред расположена вдоль силовых линий электрического поля. Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности поля во всех точках поверхности диэлектрика.

2. Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности электрического поля.

2. Неоднородное поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности электрического поля.

Диэлектрик, помещенный в равномерное поле, нарушает его однородность, и разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика, при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.

Значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбция диэлектриком влаги. Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, эбонит, оргстекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт). Под действием приложенного к электродам напряжения диссоциированные ионы, содержащиеся в адсорбированной диэлектриком влаге, перераспределяются по поверхности диэлектрика, искажая градиент потенциала вдоль его поверхности. В результате разрядное напряжение уменьшается. На импульсах поле в промежутке не успевает существенно исказиться из-за инерционности процесса перераспределения зарядов, поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере. Кроме увлажнения поверхности диэлектрика, на величину разрядного напряжения существенное влияние оказывают воздушные прослойки между диэлектриком и электродами.

Поверхностный разряд по мере увеличения приложенного напряжения проходит несколько стадий:

1. При относительно низких напряжениях на электродах возникает коронный разряд в виде полоски ровного неяркого свечения.

2. Увеличение напряжения приводит к расширению области коронирования и образованию на твердом диэлектрике многочисленных слабо светящихся каналов (стримеров), направленных к противоположному электроду. Характер разрядных процессов определяется величиной токов, текущих в разрядных каналах.

При дальнейшем увеличении напряжения ток возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация в стримерных каналах. Эта форма стримерного разряда, называемая скользящим разрядом, характеризуется интенсивным свечением канала, резким уменьшением сопротивления канала и, следовательно, выносом потенциала в глубь промежутка.

3. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением напряжения, и процесс завершается перекрытием промежутка между электродами.

Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема установки

РН – регулятор напряжения, Т – высоковольтный трансформатор, Rз – защитное сопротивление; S1, S2 – выключатели

Таблица 1 – Экспериментальные данные для различных промежутков

№ п/п	l, см	d, см	Uперекрытия, кВ	Uперекр.расчет, кВ
Тангенциальная составляющая	1	0,3	10	16,4
	2		16	18,4
	3		20	21,9
	4		26	27,8
	5		28	30,6
	6		32	37,8
	7		38	41,9
	8		42	44,1
	9		48	53,3
	10		54	57,4
	11		54	60,7
	12		60	65,6
	13		66	70,7
	14		70	74,8
	15		76	79,3
	1	0,8	10	18,1
	2		16	25,1
	3		21	27,1
	4		26	30,2
	5		28	35,6
	6		32	40,8
	7		38	43,6
	8		42	48,2
	9		46	55,7
	10		50	60,1
	11		56	66,3
	12		60	67,5
	13		66	74,5
	14		70	75,6
	15		76	77,5
	1	1,5	8	20,5
	2		9	27,6
	3		14	34,8
	4		20	37,9
	5		24	40,2
	6		28	43,9
	7		32	45,4
	8		38	48,6
	9		42	51,5
	10		48	56,4
	11		52	60,1
	12		58	64,6
	13		62	68,1
	14		64	76,3
	15		72	80,7
	1	2,2	9	14,7
	2		15	20,3
	3		22	25,6
	4		24	27,4
	5		28	34,3
	6		32	37,6
	7		38	41,5
	8		42	46,1
	9		46	51,1
	10		51	54,3
	11		58	59,4
	12		60	65,2
	13		66	73,3
	14		72	80,9
	15		76	87,5
	1	2,8	8	14,3
	2		14	17,5
	3		18	24,8
	4		24	30,7
5	28		35,4
6	34		39,8
7	38		42,9
8	42		46,3
9	46		56,1
10	52		57,7
1	3,8	10	15,8
2		15	19,9
3		20	24,6
4		24	27,7
5		28	31,6
6		34	40,3
7		40	44,2
8		44	49,1
9		48	54,9
10		52	62,9

№ п/п	l, см	d, см	Uперекрытия, кВ	Uперекр.расчет, кВ
Нормальная составляющая	1	0,3	8	19,8
	2		10	22,7
	3		14	24,6
	4		17	26,1
	5		19	27,3
	6		20	28,3
	7		21	29,3
	8		22	30,1
	9		24	30,7
	10		26	31,4
	1	0,8	8	19,8
	2		13	23,7
	3		18	27,6
	4		21	29,1
	5		22	31,3
	6		25	33,3
	7		26	35,3
	8		30	38,1
	9		31	41,7
	10		32	44,4
	1	1,5	8	25,9
	2		12	29,8
	3		19	32,3
	4		21	34,2
	5		28	39,1
	6		30	44,9
	7		32	48,7
	8		34	51,6
	9		35	55,5
	10		38	56,7
	1	2,2	9	15,8
	2		14	19,9
	3		19	24,6
	4		24	27,7
	5		29	31,6
	6		30	36,3
	7		32	39,2
	8		33	41,1
	9		37	43,9
	10		38	45,9
	1	2,8	9	20,5
	2		14	25,6
	3		20	29,8
	4		23	32,9
	5		26	35,2
	6		31	39,9
	7		32	41,4
	8		34	43,6
	9		36	45,5
	10		38	48,4
	1	3,8	8	19,4
	2		13	23,4
	3		19	26,9
	4		23	29,8
	5		26	32,6
	6		31	37,8
	7		36	41,9
	8		38	44,1
	9		39	47,3
	10		40	51,4

Рисунок 4 – График зависимости U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 5 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 6 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 7 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 8 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 9 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 10 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 11 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 12 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 13 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 14 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Рисунок 15 – Графики зависимостей U_{перекр.} = f(l), U_{перекр. расчет.} = f(l)

Выводы: в результате проделанной работы и обработки экспериментальных данных были определены напряжения полного перекрытия промежутков с преобладающей нормальной или тангенциальной составляющей электрического поля экспериментально и с помощью расчётов. Полученные результаты были представлены в виде графиков.

Из графиков видно, что для системы электродов с преобладающей тангенциальной составляющей напряжение появления короны и напряжение перекрытия несколько выше, чем для системы с нормальной составляющей за счет меньшей степени неоднородности поля

Также было проведено сравнение напряжения перекрытия опытного с расчетным. Погрешность обусловлена, во-первых, тем, что при замере были задействованы люди (человеческая реакция неидеальна), а не автоматика, а во-вторых, потому что при установке расстояния между электродами могли быть неточности.

Ответы на вопросы

1. С чем связано искажение электрического поля при помещении диэлектрика в равномерное поле?

Диэлектрик, помещенный в равномерное поле, нарушает его однородность, и разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.

2. Какое влияние оказывает неплотное прилегание электродов на разрядное напряжение вдоль поверхности диэлектриков?

Из-за неплотного прилегания образуются воздушные прослойки между диэлектриком и электродами. В этих прослойках из-за отличия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля, и возможно возникновение ионизационных процессов.

3. Для каких изоляционных конструкций характерно поле с преобладающей тангенциальной составляющей, для каких конструкций – с нормальной?

Конфигурация электрического поля с преобладанием нормальной составляющей напряженности характерна для конструкции проходного изолятора. Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей характерно для опорных изоляторов

4. Что делается в реальных условиях работы изоляции для увеличения разрядных напряжений по поверхности изоляторов?

Для увеличения пути утечки тока по поверхности твердого диэлектрика и увеличения разрядного напряжения применяют ребристую поверхность.