Laby_novye / Определение электрической прочности воздуха

Определение электрической прочности воздуха в однородном

и неоднородном электрическом поле

Цель работы:

Задания:

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями по работе.

2. Изучить принцип работы лабораторной установки.

3. Получить опытные значения электрической прочности воздушных промежутков.

4. Построить зависимости напряжения пробоя от толщины воздушных промежутков для электродов различной формы.

5. Проанализировать полученные данные.

Теоретические сведения

Воздух как диэлектрик

В качестве изоляции в различных электрических установках используются газы. Особенное место среди них занимает воздух. Он является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи.

Как диэлектрик, воздух имеет следующие положительные свойства: быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя, отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с течением времени, малые диэлектрические потери. Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются: невозможность использования его для закрепления деталей устройств, вследствие чего они применяются в сочетании с твёрдыми диэлектриками, невысокая электрическая прочность, способность увлажнятся, образовывать окислы и поддерживать горение, низкая теплопроводность.

Электрическая прочность воздуха не является величиной постоянной, а зависит от давления, относительной влажности, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от полярности электродов.

Пробоем называется явление, приводящее к длительному или кратковременному образованию канала с высокой электрической проводимостью. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля - электрической прочностью диэлектрика.

Электрическая прочность Е_пр, определяется пробивным напряжением U_пр, отнесённым к толщине диэлектрика в месте пробоя. Для практических целей удобно выражать пробивное напряжение в кВ, а толщину диэлектрика - мм, тогда Е_пр будет в кВ/мм.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо среде, в частности в газах, возможен только в том случае, когда в ней имеются свободные заряженные частицы - электроны и ионы. В нормальном состоянии частицы газа - атомы и молекулы - нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах возникают свободные заряды в виде электронов, а также положительных и отрицательных ионов.

Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой

Пробой газа в однородном поле

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закруглёнными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, так как ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10^-5 см. При нормальных условиях, т.е. при давлении 101325 Па = 760 мм.рт.ст. и температуре 273,15К = 0° C, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм), при расстоянии между электродами 6 мм - 70 МВ/м.

Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления газа и толщины слоя газа. С уменьшением же давления газа и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается, но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное пробивное напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в пределе 195-520 В. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.

Пробой газа в неоднородном поле

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, остриём и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающими радиус сферы и т.д.

Неоднородность поля приводит к тому, что в некоторых местах густота силовых линий очень велика, а значит, напряженность имеет повышенное значение и ударная ионизация начинается уже при напряжениях, меньших, чем характерно для данного промежутка.

Особенностью пробоя газов в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. Корона - это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

Лабораторная установка

Назначение

1. Генератор напряжения высоковольтный ГНВ1-02а (в дальнейшем по тексту прибор) предназначен для проведения практикума по курсу радиоматериалы в ВУЗах. Прибор применяется в составе модульных лабораторно - учебных комплексов МУК-РМ (радиоматериалы), а также для лекционных демонстраций.

2. Прибор предназначен для:

• Генерации постоянного напряжения с регулируемым уровнем.

3. Условия эксплуатации - лабораторные:

• Температура окружающей среды от 283 до 308 К (от +10 до +35 ⁰ С);

• Относительная влажность до 80 % при температуре 298 К (+25 ⁰ С);

• Атмосферное давление 100 ± 4 кПа (750 + 30 мм рт. ст.);

• Напряжение питающей сети 220 ± 20 В с частотой 50 Гц.

Электрические параметры и характеристики

1. Генератора регулируемого постоянного напряжения имеет следующие параметры:

• Выходное регулируемое напряжение, не более 20 кВ;

• Выходной ток, не более 200 мкА;

• Напряжение пульсаций, не более 10%.

2. Прибор обеспечивает свои технические характеристики в пределах указанных норм после 5-ти минутного самопрогрева;

3. Прибор допускает непрерывную работу в течение 8 часов при сохранении своих технических характеристик.

Органы управления

Внешний вид прибора представлен на рис. 1.

Рисунок 1. Органы управления ГВН1.

1. Индикатор напряжения;

2. Индикатор перегрузки по току;

3. Индикатор перегрузки по напряжению;

4. Блокировка;

5. Связь с ЭВМ (в данной версии не используется);

6. Кнопка “+/Пуск”;

7. Кнопка

8. Кнопка “Режим”;

9. Кнопка “Сброс”;

10. Кнопка выключателя “Сеть”;

11. Индикатор режима работы.

ВНИМАНИЕ меры предосторожности:

Запрещается вставлять и вынимать вилку питания при нажатой кнопке «Сеть».

Порядок работы с блоком

1. Включите кнопку “Сеть” 10 (Рис.1), при этом загорится индикатор напряжения, который покажет (000). Прибор готов к работе.

2. Если горит индикатор блокировки 4, то это значит, что открыта крышка высоковольтной камеры или она не установлена.

3. Рекомендуемое расстояние между электродами не менее 1 мм.

Измерительная камера ИК2-1

1. Измерительная камера ИК2-1 предназначена для проведения практикума по курсу радиоматериалы в ВУЗах. Камера применяется в составе модульных лабораторно - учебных комплексов МУК-РМ (совместно с ГНВ1), а также для лекционных демонстраций.

2. Камера предназначена для измерения расстояний напряжения пробоя.

3. Условия эксплуатации – лабораторные.

Порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические сведения об электрическом пробое воздушного диэлектрика.

2. Изучить лабораторную установку ГВН1 + ИК2-1, электрические параметры и характеристики, органы управления и индикации.

3. Получить у преподавателя набор электродов и установить первую пару в ИК2-1.

4. Задать промежуток между электродами в 1 мм и провести измерение напряжения пробоя, постепенно увеличивая выходное напряжение ГВН1.

5. Увеличивая зазор между электродами на 1 мм, произвести серию измерений пробивного напряжения и построить графики зависимостей U = f(d).

6. Рассчитать напряженности электрического поля, при которых происходит пробой.

7. Сменить набор электродов и повторить п.п. 4 – 6 для электродов другой формы.

8. Сделать выводы о проведенном исследовании.

Примечание для магистрантов (измерения и расчеты производить с учетом точности измерения, обеспечиваемой прибором).

Библиографический список

1. Импульсная энергетика и электроника / Г. А. Месяц. - М. : Наука , 2004. - 704 с.

2. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: [учеб. пособие для вузов по направлению 654200 "Радиотехника"] / К. С. Петров. - СПб. [и др.] : Питер, 2006. - 521 с.