Лабораторная работа2 Гайдук Самсонов

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 №2

«Разряды в воздухе при переменном напряжении»

Выполнили студенты группы 5А93 Гайдук К.А.

Самсонов Д.П.

Проверил старший преподаватель: _____________ Шолохова И.И.

Томск — 2022

Цель работы: Исследование зависимости разрядного напряжения в воздухе от расстояния между электродами при различной форме электродов.

Краткие теоретические сведения:

Основным диэлектриком для создания изоляции линий электропередачи и высоковольтного оборудования, работающего на открытых участках, является воздух. При нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздушных промежутков невелика и в однородном электрическом поле при нормальных условиях равна 30 кВ/см.

При приложении к воздушному промежутку высокого напряжения происходит эмиссия электронов из катода, их ускорение в электрическом поле и ионизация атомов и молекул воздуха, что приводит к появлению большого количества носителей зарядов в лавинах, которые преобразуются в стримеры. В результате этого в воздухе формируется плазменный разрядный канал, который перемыкает промежуток. Минимальное напряжение, при котором происходит полная потеря диэлектриком изолирующих свойств называется разрядным напряжением (Uр).

В неоднородных и резконеоднородных полях ионизация начинается только в областях с наибольшей напряженностью поля. Возникший в таких областях самостоятельный разряд называется коронным разрядом, а начальное напряжение – напряжением зажигания коронного разряда. В слабонеоднородных полях (К_н = Е_max/E_ср ≤ 3) коронный разряд неустойчив и быстро переходит в полный пробой.

Число электронов в лавине, развивающейся от одного эффективного электрона, равно

где n – число электронов в лавине; х – расстояние, пройденное лавиной; α – эффективный коэффициент ударной ионизации.

Величина разрядного напряжения зависит от длины промежутка, размеров и формы электродов (рис. 1), способа их подключения, плотности и вида газа, полярности и частоты напряжения.

Схема установки

Ход выполнения работы

Таблица 1 – экспериментальные и расчетные данные

Форма электродов	S, см	Экспериментальные данные								Расчетные данные
		Uр, кВ				Uр ср, кВ		Eср, кВ/см		Uр, кВ		Eср, кВ/см
		1	2	3
Острие-плоскость	1	12	12	12	12		12		9,73		9,73
	2	21	20	20	20,33		10,167		12,88		6,44
	3	30	30	29	30		10		16,04		5,34
Острие-острие	1	10	11	10	10,33		16,12		16,12		16,12
	2	13	13	13	13		19,08		19,08		9,54
	3	25	26	25	25,33		22,05		22,05		7,35
Коронирующие кольца	1	11	11	11	11		11		-		-
	2	19	20	20	19,667		9,83		-		-
	3	25	26	26	25,667		8,56		-		-
Шар-шар	1	20	20	20	20		20		28,8		28,8
	2	39	40	40	39,667		19,83		56,1		28,05
	3	59	60	59	59,333		19,78		81,98		27,33

Температура в условиях опыта: ;

Давление в условиях опыта:

Для электродной системы острие-плоскость:

Для электродной системы острие-острие:

Радиус шара: R=12,5 см;

Для электродной системы шар-шар:

Рисунок 3 – Зависимости Uр= f(S) «острие-плоскость»

Рисунок 4 – Зависимости Eр = f(S) «острие-плоскость»

Рисунок 5 – Зависимости Uр= f(S) «острие-острие»

Рисунок 6 – Зависимости Eр = f(S) «острие-острие»

Рисунок 7 – Зависимости Uр= f(S) «Коронирующие кольца»

Рисунок 8 – Зависимости Eр = f(S) «Коронирующие кольца»

Рисунок 9 – Зависимости Uр= f(S) «шар-шар»

Рисунок 10 – Зависимости Eр = f(S) «шар-шар»

На графиках представлены зависимости при различных формах электродов: острие-плоскость, острие-острие, коронирующие кольца, шар-шар. Экспериментальные данные и расчетные данные немного расходятся между собой, так как электрическое поле отлично от теоретического из-за отсутствия соосности между электродами. Исходя из графиков зависимостей Uр= f(S), можно сделать вывод, что чем больше расстояние между электродами, тем больше будет разрядное напряжение. При этом, если увеличить S, то сможем наблюдать уменьшение Eр. Объяснить это можно тем, что неоднородность поля возрастает с увеличением расстояния.

Вывод: в ходе лабораторной работы была исследована зависимость разрядного напряжения в воздухе от расстояния между электродами при различной форме. Также был произведен расчет пробивного напряжения и напряженности поля по формулам, учитывающим характеристики, при которых проводились эксперименты. По полученным данным были построены графики зависимости разрядного напряжения и напряженности поля от расстояния между электродами для разных систем электродов.

Контрольные вопросы

1. Для каких целей вводится поправка на относительную плотность воздуха?

Реальные условия практически всегда отличаются от нормальных. Для точного сопоставления результатов измерений, проведенных при различных условиях внешней среды, необходимо вводить поправку, таким образом, приводя к нормальным условиям.

2. Почему в однородном поле отсутствует коронная форма разряда?

Коронный разряд происходит в части промежутка с наибольшей напряженностью поля. Так как в однородном поле напряженность постоянна вдоль силовых линий Е_макс = Е_ср, то коронный разряд непосредственно переходит в полный пробой.

3. Какие параметры электродной системы влияют на максимальную и среднюю напряженность электрического поля?

Длина промежутка; размер и форма электродов; плотности газа; температура среды; вид газа; полярность напряжения; частота напряжения; способ подключения электродов.

4. Как классифицируется и чем определяется степень неоднородности электрического поля?

Степень неоднородности электрического поля между электродами характеризуется коэффициентом неоднородностиk, который равен отношению максимальной напряженности к средней напряженности поля между электродами. В однородном поле его напряженность постоянна вдоль силовых линий(k=1). Электрические поля разделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Слабонеоднородным можно назвать поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий не более чем в 2-3 раза (1<k≤3). При больших значениях изменения напряженности электрического поля имеем резконеоднородное поле (k>3).