Министерство науки и высшего образования Российской федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» |
Инженерная школа энергетики
Направление 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Отделение Электроэнергетики и электротехники
Отчет по лабораторной работе №5
«Электрические разряды на поверхности твердого диэлектрика»
Выполнили:
Студенты группы 5А94 ______________ Милёшкин А.А.
Кудряков А.А.
Кузякин А.В.
Еремеев Д.С.
(дата, подпись)
Проверил преподаватель: _____________ Пустынников С.В
(дата, подпись)
Томск — 2022
Цель работы: экспериментальное изучение разряда по поверхности твердого диэлектрика в зависимости от конфигурации электрического поля, расстояния между электродами и толщины диэлектрика.
Теоретические сведения:
Необходимость изучения разрядов по поверхности твердого диэлектрика в воздухе связана с тем, что они в значительной мере обусловливают разрядные характеристики внешней изоляции. Напряжение разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в воздухе всегда ниже разрядного напряжения воздушного промежутка такой же длины и конфигурации электрического поля. Величина напряжения поверхностного разряда определяется длиной разрядного канала, конфигурацией электрического поля в промежутке, электрофизическими характеристиками и состоянием поверхности твердого диэлектрика, температурой, давлением и влажностью воздуха. Все многообразие электрических полей изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям:
1.Равномерное поле (рис. 1). Поверхность раздела двух диэлектрических сред расположена вдоль силовых линий электрического поля.
2.Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности поля во всех точках поверхности диэлектрика (рис. 2, а).
3.Неоднородное поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности электрического поля (рис. 2, б).
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. В этих прослойках из-за отличия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика создается локальное увеличение напряженности поля и, возможно, возникновение ионизационных процессов.
Следовательно, в реальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень редко располагается в однородном поле. Чистота поверхности диэлектрика также является фактором, оказывающим влияние на разрядное напряжение. Наличие загрязнений снижает разрядное напряжение поверхностного разряда.
Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей (рис.2, а) характерно для опорных изоляторов. Влияние гигроскопических свойств диэлектрика на величину разрядных напряжений в этом случае будет меньшим, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без того значительную неоднородность поля.
Конфигурация электрического поля с преобладанием нормальной составляющей напряженности (рис.2, б) характерна для конструкции проходного изолятора. Неоднородность поля в межэлектродном промежутке в этом случае выше, чем в рассмотренных ранее, и, следовательно, разрядные напряжения ниже.
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 коронированияи 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 1 - Систем электродов с равномерным полем.
Рисунок 2 - Система электродов с преобладающей тангенциальной (а) и
преобладающей нормальной (б) составляющей электрического поля.
Величина тока в любом разрядном канале в основном определяется емкостью канала по отношению к противоположному электроду.
Очевидно, что чем выше удельная поверхностная емкость С, тем больше ток, протекающий по каналу на зарядку этой емкости, поэтому выше проводимость стримерного канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже напряжение разряда по поверхности.
Для приближенного расчета напряжения поверхностного разрядаможно использовать следующие эмпирические выражения. Начальное напряжение возникновения скользящих разрядов описывается выражением:
Разрядное напряжение по поверхности твердого диэлектрика для плоского диэлектрика описывается выражением:
где
e
– относительная диэлектрическая
проницаемость (для стекла е
= 6);
–
диэлектрическая постоянная; d
– толщина диэлектрика, см., l
– длина
канала скользящего разряда, k –
коэффициент, определяемый опытным
путем и зависящий от состояния поверхности
диэлектрика, атмосферных условий и типа
электродной системы, вида диэлектрика.
Для электродной системы используемой
в данной лабораторной работе параметр
k принимаетсяравным 0,81 дляслучая
преобладаниянормальной составляющей
и 1,08 для случая преобладания тангенциальной
составляющей напряженности электрического
поля.
Описание лабораторной установки:
Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема установки.
В состав экспериментальной установки входят такие элементы как:
РН – регулятор напряжения;
Т– высоковольтный трансформатор;
S1, S2 – выключатели;
Rзащ – защитное сопротивление;
Опытные данные:
Рисунок 4 – Опытные данные
Таблица №1- Полученные результаты измерений
|
№ п/п |
L, cм |
D, см |
Uкороны, кВ
|
Uск.р., кВ
|
Uперекрытия кВ
|
Uперекрытия расчет. кВ |
Тангенциальная составляющая |
1 |
2 |
1,2 |
22,6 |
25,5 |
28,3 |
56,62 |
2 |
4 |
1,2 |
31,1 |
39,6 |
45,3 |
65,04 |
|
3 |
6 |
1,2 |
45,3 |
53,7 |
56,6 |
70,53 |
|
4 |
8 |
1,2 |
56,6 |
62,2 |
73,5 |
74,71 |
|
5 |
2 |
0,8 |
19,8 |
25,5 |
28,3 |
47,18 |
|
6 |
4 |
0,8 |
33,9 |
36,8 |
39,6 |
54,19 |
|
7 |
6 |
0,8 |
42,4 |
48,1 |
53,7 |
58,77 |
|
8 |
8 |
0,8 |
56,6 |
62,2 |
67,9 |
62,25 |
|
9 |
2 |
0,4 |
31,1 |
36,8 |
39,6 |
34,54 |
|
10 |
4 |
0,4 |
50,9 |
53,7 |
56,6 |
39,67 |
|
11 |
6 |
0,4 |
59,4 |
62,2 |
65,1 |
43,02 |
|
12 |
8 |
0,4 |
62,2 |
67,9 |
76,4 |
45,57 |
|
Нормальная составляющая |
13 |
2 |
1,2 |
25,5 |
28,3 |
33,9 |
42,46 |
14 |
4 |
1,2 |
36,8 |
42,4 |
48,1 |
48,78 |
|
15 |
6 |
1,2 |
45,3 |
50,9 |
56,6 |
52,9 |
|
16 |
8 |
1,2 |
53,7 |
56,6 |
70,7 |
56,03 |
|
17 |
2 |
0,8 |
28,3 |
31,1 |
33,9 |
35,4 |
|
18 |
4 |
0,8 |
36,8 |
41 |
45,3 |
40,6 |
|
19 |
6 |
0,8 |
45,3 |
48,1 |
59,4 |
44,1 |
|
20 |
8 |
0,8 |
50,9 |
53,7 |
67,9 |
46,7 |
|
21 |
2 |
0,4 |
25,5 |
28,3 |
31,1 |
25,9 |
|
22 |
4 |
0,4 |
33,9 |
36,8 |
42,4 |
29,8 |
|
23 |
6 |
0,4 |
39,6 |
45,3 |
50,9 |
32,3 |
|
24 |
8 |
0,4 |
39,6 |
48,1 |
59,4 |
34,2 |
Найдём Uперекрытия расчетное по следующей формуле (для измерения №13):
где:
– относительная
диэлектрическая проницаемость (для
стекла
= 6);
– диэлектрическая постоянная;
d – толщина диэлектрика, см.;
l – длина канала скользящего разряда, см.;
k =0.81 для нормальной составляющей напряженности электрического поля.
k =1.08 для тангенциальной составляющей напряженности электрического поля.
Рисунок 5 - Графики зависимостей Uк = f(l), Uперекр. = f(l), Uск.р. = f(l), при d = 1,2, в поле с преобладающей тангенциальной составляющей
Рисунок 6 - Графики зависимостей Uк = f(l), Uперекр. = f(l), Uск.р. = f(l), при d = 0,8, в поле с преобладающей тангенциальной составляющей
Рисунок 7 - Графики зависимостей Uк = f(l), Uперекр. = f(l), Uск.р. = f(l), при d = 0,4, в поле с преобладающей тангенциальной составляющей
Рисунок 8 - Графики зависимостей Uк = f(l), Uперекр. = f(l), Uск.р. = f(l), при d = 1,2, в поле с преобладающей нормальной составляющей
Рисунок 9 - Графики зависимостей Uк = f(l), Uперекр. = f(l), Uск.р. = f(l), при d = 0,8, в поле с преобладающей нормальной составляющей
Рисунок 10 - Графики зависимостей Uк = f(l), Uперекр. = f(l), Uск.р. = f(l), при d = 0,4, в поле с преобладающей нормальной составляющей
Рисунок 11 - Графики зависимостей Uперекр. расч. = f(l), при d = 1,2, в поле с преобладающей тангенциальной составляющей
Рисунок 12 - Графики зависимостей Uперекр. расч. = f(l), при d = 0,8, в поле с преобладающей тангенциальной составляющей
Рисунок 13 - Графики зависимостей Uперекр. расч. = f(l), при d = 0,4, в поле с преобладающей тангенциальной составляющей
Рисунок 14 - Графики зависимостей Uперекр. расч. = f(l), при d = 1,2, в поле с преобладающей нормальной составляющей
Рисунок 15 - Графики зависимостей Uперекр. расч. = f(l), при d = 0,8, в поле с преобладающей нормальной составляющей
Рисунок 16 - Графики зависимостей Uперекр. расч. = f(l), при d = 0,4, в поле с преобладающей нормальной составляющей
Вывод:
Из графиков следует, что при проведении всех опытов при увеличении расстояния между электродами происходит соответствующее нелинейное увеличение напряжения зажигания короны, напряжения скользящего разряда, напряжения перекрытия.
Напряжение перекрытия, короны и скользящего разряда значительно больше для неоднородного поля с преобладанием тангенциальной составляющей поля, по сравнению с нормальной составляющей поля. Это объясняется тем, что неоднородность электрического поля при нормальной составляющей выше, а напряжение возникновения короны ниже.
При увеличении толщины диэлектрика при малых межэлектродных расстояниях возрастает напряжение появления короны, напряжения скользящих разрядов и разрядное напряжение.
Также было проведено сравнение напряжения перекрытия опытного с расчетным. Погрешность обусловлена, во-первых, человеческим фактором, 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?
В прослойках между диэлектриком и электродами из-за отличия диэлектрических проницаемостей воздуха и диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля и, возможно, возникновение ионизационных процессов, что приводит к уменьшению разрядного напряжения.
3. Для каких изоляционных конструкций характерно электрическое поле с преобладающей тангенциальной составляющей, для каких конструкций с нормальной?
Неоднородное поле с преобладанием тангенциальной составляющей характерно для опорных изоляторов. Влияние гигроскопических свойств диэлектрика на величину разрядных напряжений в этом случае будет меньшим, так как искажения поля, обусловленные процессами на поверхности диэлектрика, лишь незначительно увеличивают и без того значительную неоднородность поля. Конфигурация электрического поля с преобладанием нормальной составляющей напряженности характерна для конструкции проходного изолятора. Неоднородность поля в межэлектродном промежутке в этом случае выше, и, следовательно, разрядные напряжения ниже.
4. Что делается в реальных условиях работы электроэнергетических систем для увеличения разрядных напряжений по поверхности изоляторов?
Для увеличения пути утечки тока по поверхности твердого диэлектрика и увеличения разрядного напряжения применяют ребристую поверхность.