Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое материаловедение. Сборник практических заданий. Учебное пособие
.pdf
короны будет предшествовать пробою? Какова электрическая прочность промежутка в том и другом случае?
Задание 6-37. Площадь поверхности электродов 10
2
см , расстояние
между ними 20 см, промежуток заполнен элегазом при давлении
0,3 МПа. Определить пробивное напряжение промежутка. Как оно из-
менится, если площадь электродов сделать равной 1000
Задание 6-38. Между электродами с площадью 100
2
см , и почему?
2
см находится
воздух при давлении 2,5 МПа; расстояние между электродами 10 см.
2
Определите расстояние между электродами с площадью 10
см при
заполнении промежутка элегазом при давлении 0,3 МПа при условии
равенства пробивных напряжений в обоих случаях. Каково значение
этого напряжения?
Задание 6-39. Насколько нужно увеличить давление азота по срав-
нению с нормальным в промежутке 0,02 м с однородным полем при
нормальной температуре, чтобы пробивное напряжение промежутка
повысилось так же, как и при добавлении к азоту 20 % элегаза? Каково
значение этого напряжения?
Задание 6-40. На каком расстоянии друг от друга нужно прило-
жить электроды к поверхности фарфора при плоском контакте, чтобы
напряжение перекрытия между ними численно стало равным напряжению пробоя воздушного зазора длиной 1 см?
Задание 6-41. Токопровод элегазового распределительного устрой-
ства закреплён в трубе с помощью изоляторов из фторопласта, расстояние между фланцами которых 20 мм. Каким должно быть давление в
трубе, чтобы напряжение перекрытия соответствовало напряжению
пробоя элегаза при давлении 0,18 МПа (частота 50 Гц)? Найдите значение напряжённости электрического поля, при которой происходит
пробой элегаза или перекрытие
по поверхности фторопласта.
Задание 6-42. Изоляторы в трубе элегазового распределительного
устройства, имеющие расстояния между фланцами 20 мм, заменены с
эпоксидных на фторопластовые. С какого значения на какое следует
изменить давление элегаза, чтобы напряжение перекрытия этих изоляторов осталось на уровне 250 кВ переменного тока частотой 50 Гц?
Определите поверхностную электрическую прочность в рассмотренных случаях.
101
Задание 6-43. Для защиты от увлажнения высоковольтное устрой-
ство помещено в фарфоровую трубку, расстояние между фланцами
которой 15 см. Как следует изменить это расстояние в устройстве с
бакелитовой оболочкой, чтобы напряжение перекрытия осталось
прежним? Какие значения будет иметь в этих случаях поверхностная
электрическая прочность?
Задание 6-44. При частоте 40 кГц пробивное напряжение «стер-
жень– плоскость» составило 100 кВ. Как следует изменить расстояние
между стержнем и плоскостью при изменении частоты до 50 Гц, чтобы
пробивное напряжение осталось прежним? Определите значения электрической прочности в обоих случаях.
Задание 6-45. С какого значения до какого изменится пробивное
напряжение частотой 50 Гц воздушного промежутка с неоднородным
полем длиной 0,8 м при изменении температуры с 5 до 30 ºС и влажно-
сти воздуха с 3 до 15
3
г/м ?
Задание 6-46. С какого значения до какого изменится электриче-
ская прочность воздушного промежутка с сильно неоднородным полем
на переменном напряжении частотой 50 Гц при изменении длины промежутка с 9 м до 20 см?
Задание 6-47. Отсыревшее масло с пробивным напряжением в
стандартном разряднике 60 кВ заполняет пространство между горизонтальными плоскими электродами, расстояние между которыми
равно 3 см. Полагая, что электрическая прочность масла не изменяется, найдите, как изменится пробивное напряжение промежутка в случае появления отстоя воды толщиной 0,5 мм, электрическая прочность
которой выше 10 кВ/см.
Задание 6-48. Как нужно изменить зазор в стандартном разряднике
для испытаний жидких диэлектриков, чтобы пробивное напряжение
совтола-10 первого сорта соответствовало стандартному пробивному
напряжению трансформаторного масла Т-750? Укажите значения электрической прочности в этих двух случаях.
Задание 6-49. Плоский электрод покрыт слоем полиметилсилокса-
новой жидкости ФМ-1322 толщиной 0,5 см. К поверхности жидкости
приближается из воздуха другой плоский электрод, параллельный первому, разница потенциалов между электродами составляет 100 кВ. Полагая поле равномерным, условия – нормальными и электрическую
102
прочность жидкости равной найденной при стандартных испытаниях,
найдите, при каком расстоянии между электродами произойдет пробой
промежутка.
Задание 6-50. Между плоскими электродами находится пластина
из полипропилена толщиной 1 мм. Из-за неровностей между этой пластиной и электродами имеется воздушный зазор толщиной 0,01 мм.
Полагая поле равномерным, определите напряжения на электродах
частотой 1 МГц, при которых:
произойдёт электрический пробой полипропиленовой пластинки;
возникнут частичные разряды в воздушных зазорах.
Задание 6-51. При испытаниях изоляции провода его погружают в
воду и подают напряжение на жилу. Найдите диапазон значений
напряжения, при котором должен был бы произойти электрический
пробой изоляции из полипропилена, если толщина изоляции 1 мм, де-
2
фекты отсутствуют, а сечение жилы 10
мм
.
Задание 6-52. Определите диапазон значений напряжения, в кото-
ром эпоксидное покрытие толщиной 0,3 мм из компаунда ЭП-49Д,
нанесённое напылением, выдерживает при 20 ºС и не выдерживает при
повышении температуры до 150 ºС.
Задание 6-53. К асбестоцементной доске толщиной 1 см плотно
приклеены (без воздушных включений) с помощью эпоксидного клея
К-153 плоские электроды. Толщина клеевых слоёв 0,5 мм. Возникнут
ли частичные разряды в клеевых слоях при напряжении на электродах
18 кВ и температурах 20 и 150 ºС? Диэлектрическую проницаемость
материалов в данном диапазоне температур считайте постоянной.
Задание 6-54. Между двумя слоями лакоткани ЛХМ-105 толщиной
0,24 мм имеется воздушная прослойка толщиной 0,02 мм. Температура
воздуха –20 ºС, влажность 95 %. Рассчитайте значения электрической
прочности воздуха и лакоткани в этих случаях. Определите отношение
среднего пробивного напряжения этой системы к напряжению возникновения частичных разрядов в воздушной прослойке.
Задание 6-55. Во сколько раз нужно изменить толщину изоляции
из текстолита 241 первой категории качества при сохранении пробивного напряжения, если ориентация слоёв ткани относительно поля изменяется на 90º? (Электрическая прочность выбирается по результатам
испытаний, где расстояние между осями электродов диаметром 5 мм
составляло 25 мм.)
103
Задание 6-56. Трёхфазный токопровод заполнен элегазом при дав-
лении 0,24 МПа с влажностью, соответствующей точке росы +9,5 ºС.
Шины к корпусу крепятся эпоксидными изоляторами длиной 10 мм, а
эпоксидные распорки между шинами имеют длину 20 мм. На корпус
или между шинами произойдет перекрытие по поверхности изолятора
при увеличении напряжения?
Задание 6-57. Расстояние между электродами 1 мм. Поле однород-
но. Промежуток заполнен элегазом при давлении 0,33 МПа. Из какого
материала должны быть выполнены электроды, чтобы при создании
вакуума между ними электрическая прочность промежутка не изменилась?
Задание 6-58. Конденсатор имеет бумажно-масляную изоляцию из
бумаги типа КОН (марка 1, по ГОСТ 1908–82) с толщиной бумаги
10 мкм. Каково номинальное напряжение конденсатора, если число
слоёв бумаги более 10?
Задание 6-59. Между электродами положена асбестовая электро-
изоляционная бумага типа БЭ-1 толщиной 0,5 мм. Изменится ли пробивное напряжение этого промежутка при изъятии бумаги, если считать поле равномерным? Определите значения пробивного напряжения
и электрической прочности в этих случаях.
Задание 6-60. Токоведущая часть имеет напряжение по отношению
к земле 20 кВ. От земли эта токоведущая часть изолирована фольгированным стеклотекстолитом марки ФДМЭ-1, имеющим толщину 1 мм.
Фольга заземлена. Определите категорию качества этого текстолита.
104
Е
4. ПРИМЕРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЙ
4.1. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЙ
4.1.1. РАСЧЁТ ГРАДИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ОДНОЖИЛЬНОГО КАБЕЛЯ
1. Задание 1-61
Одножильный кабель имеет градированную изоляцию, в которой
по мере удаления от жилы в радиальном направлении уменьшается
диэлектрическая проницаемость материала
более равномерной напряжённость поля в изоляции
большой срок службы
. В настоящем задании рассматривается двух-
слойная изоляция вокруг жилы диаметром 10 мм
ции выполнен из хлорированного полиэтилена
10 мм
высокого давления
. Поверх него расположен изоляционный слой из полиэтилена
(ПЭВД). Следует определить, какой должна быть
минимальная толщина этого слоя при условии равенства напряжённостей электрического поля в ХПЭ
(у границы с ПЭВД) и в ПЭВД у
поверхности изоляции при частоте 1 МГц
. Это позволяет сделать
, что обеспечивает
. Первый слой изоля-
(ХПЭ) и имеет толщину
.
2. Определение величин, необходимых для выполнения задания
На рисунке изображён кабель с двухслойной изоляцией. Длина ка-
, радиус наружной поверхности
беля l
r
двух слоёв изоляции
.
1
r
, радиус поверхности раздела
2
Плотность потока электрического смещения D связана с напря-
жённостью электрического поля в материале E через диэлектрическую проницаемость материала
и электрическую постоянную
r
D
. (1)
0 r
105
:
0
l
ПЭВД
ХПЭ r
r
2
1
Плотность потока электрического смещения на поверхности S
равна значению заряда на жиле кабеля q
поделённому на площадь цилиндрической поверхности
этот поток проходит
[2]; S = 2πrl:
, создающего этот поток,
, через которую
Drl
q
. (2)
2
Из (1) и (2) найдём, что напряжённости поля в хлорированном по-
Е
лиэтилене
давления
Е (у наружной поверхности кабеля) будут соответ-
ственно равны
где
лена
давления
– диэлектрическая проницаемость хлорированного полиэти-
ХПЭ
;
– диэлектрическая проницаемость полиэтилена высокого
ПЭВД
. Приравняв напряжённости поля на поверхности изоляции и
на границе раздела
(у поверхности раздела) и в полиэтилене высокого
ХПЭ
ПЭВД
:
E
E
ПЭВД
ХПЭ
rl
2
10ХПЭ
rl
2
20ПЭВД
q
q
(3)
,
(4)
,
, получим
106
1 ХПЭ 2 ПЭВД
(5)
Искомая толщина наружного слоя изоляции
можно найти
, поделив приведённый в задании диаметр жилы пополам
и прибавив к этому значению толщину изоляции из ХПЭ
r
по уравнению (5) нам необходимо знать значения диэлектрических
2
проницаемостей хлорированного полиэтилена
высокого давления
ПЭВД
.
.rr
Dr r
. Значение
21
. Для расчёта
и полиэтилена
ХПЭ
r
1
Диэлектрическая проницаемость – это мера ослабления напря-
жённости электрического поля в материале по сравнению с внешним
полем
. Её значение показывает, во сколько раз напряжённость элек-
трического поля в материале на границе с пустотой меньше напряжённости поля от того же источника в пустоте на той же грани-
[1].
це
3. Описание материалов
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и хлорированный полиэтилен
(ХПЭ) относятся к электроизоляционным полимерам [3, с. 91] и
входят в класс органических синтетических карбоцепных полимеров
[3, с. 103]. Органическими полимерами называются вещества, содер-
жащие в своём составе атомы углерода
водорода могут быть замещены галогенами
ме того
, кислорода, азота и других органогенных элементов [3, с. 94].
Полиэтилены получают полимеризацией этилена
формуле
:
, водорода (некоторые атомы
, например хлором) и, кро-
(СН2) по общей
Н
СН С
2
.
Н
Поскольку связь между молекулами этилена осуществляется через
углерод
(carbon), полимеры называются карбоцепными [3, с. 103].
Полиэтилен высокого давления получают полимеризацией этиле-
на при высоком давлении
(130…150 МПа) и высокой температуре
107
(
м
190…300 ºС) в течение 30…100 с в присутствии кислорода и органиче-
ских перекисей
рошими механическими и изоляционными характеристиками
Предел прочности при растяжении, МПа 17…20
Условный предел текучести, МПа 9…16
Удельное объёмное сопротивление ρv, Ом·м ~10
Удельное поверхностное сопротивление ρS, Ом ~1015
Диэлектрическая проницаемость ε
Тангенс угла диэлектрических потерь tg δ при 1 кГц…1 МГц (2…3)10
Электрическая прочность Епр при толщине 1 мм, МВ/м 45…55
Температура плавления, ºС 103…110
Коэффициент теплопроводности, Вт/м · К 0,33…0,36
Удельная теплоёмкость при 20…25 ºС, кДж/кг · К 1,9…2,5
Длительная рабочая температура, ºС 90
То же, для стабилизированного и облучённого ПЭВД, ºС 105
[3, с. 103]. Полиэтилен высокого давления обладает хо-
(табл. 1).
Таблица 1
Показатели ПЭВД [3, стр. 104. табл. 5.5]
Наименование показателя Значение
15
при 1 МГц 2,2…2,3
ПЭВД
–4
Дадим определения величинам, представленным в табл. 1 [1].
Предел прочности при растяжении – нормальное напряжение,
соответствующее наибольшей нагрузке
при испытании на растяжение
(временное сопротивление разрыву).
, выдерживаемой образцом
Условный предел текучести – нормальное напряжение, при ко-
тором остаточная деформация после снятия растягивающей нагрузки составляет 0
,2 %.
Удельное объёмное сопротивление – параметр вещества, числен-
но равный сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного
сечения 1
2
при измерении в плоскопараллельном поле.
Угол диэлектрических потерь – угол, дополняющий до 90º угол
сдвига между током и напряжением в диэлектрике
.
Электрическая прочность – напряжённость электрического по-
ля
, при которой происходит пробой диэлектрика (скачкообразное уве-
личение электропроводности материала при воздействии определённого напряжения с образованием плазменного канала
).
108
Температура плавления – температура, при которой твёрдое
м
кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и
наоборот [4].
Коэффициент теплопроводности – удельный тепловой поток
(мощность, проходящая через материал перпендикулярно изотерми-
ческой поверхности площадью 1
2
) при градиенте температуры
1 К/м.
Удельная теплоёмкость – количество энергии (теплоты), необ-
ходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К.
Длительная рабочая температура – предельно допустимая тем-
пература эксплуатации материала в изделии, при которой не происходит ухудшения заданных свойств материала.
Для полиэтилена характерно малое изменение электрических
свойств в широком диапазоне температур и частот. Полиэтилен обладает низкой газо- и паропроницаемостью и мало проницаем для воды и водяных паров. Полиэтилен можно хлорировать, сульфохлорировать, бромировать, фторировать. Эти реакции используются на
практике для модификации свойств полиэтилена.
Хлорированный полиэтилен (ХПЭ). Введение хлора в макромоле-
кулу полиэтилена приводит к снижению кристалличности, изменению
температур размягчения, стеклования и др. При увеличении содержания хлора жёсткость, температуры размягчения и стеклования повышаются вследствие увеличения межмолекулярного взаимодействия.
В табл. 2 приведены свойства полиэтилена высокой плотности, хлорированного в 25 %-м растворе хлора.
Таблица 2
Показатели ХПЭ [1, с. 106]
Наименование показателя Значение
Удельное объёмное сопротивление 1013 Ом · м
Электрическая прочность 30 МВ/м
Диэлектрическая проницаемость при 1 кГц 6,1
Диэлектрическая проницаемость при 1 МГц 4,3
Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 кГц 0,019
Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц 0,134
109
Окончание табл. 2
Наименование показателя Значение
Водопоглощение:
за 1 сутки 0,1 %
за 30 суток 0,6 %
Полиэтилены различного вида применяют, в частности, для изо-
ляции токопроводящих жил кабелей.
4. Решение
Определим
r
через диаметр жилы (
1
хлорированного полиэтилена (
d
из ХПЭ
d
) и толщину изоляции из
жилы
), значения которых приведены в
задании:
d
жилы
rd
мм 10 мм 15 мм
1 из ХПЭ
22
Из табл. 1 и 2 для частоты 1 МГц принимаем:
и
ХПЭ
= 4,4.
10
.
= (2,2…2,3)
ПЭВД
Из выражения (5) находим:
r
1 ХПЭ
r
2
ПЭВД
Определяем толщину изоляции из полиэтилена высокого давления
ПЭВД 21
15 мм 4, 4
(28,7 30) мм.
(2,2 2,3)
(28,7 30)мм –15мм (13, 7 15) мм.Drr
:
5. Вывод
По условию равенства напряжённостей электрического поля на
границе изоляции из ХПЭ и ПЭВД и на поверхности изоляции из ПЭВД
толщина изоляции из полиэтилена высокого давления должна лежать
в пределах 13
полиэтилена высокого давления составляет 13
,7…15 мм. Минимальная толщина наружной изоляции из
,7 мм.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]