Лабораторна робота № 5 Визначення рівнів ізоляції повітряних проміжків при змінній і постійній напругах

Мета роботи - експериментально дослідити рівні ізоляції повітряних проміжків при зміні відстані між електродами з однорідним, слабо- і сильнонеоднорідним полями, а також бар’єр у міжелектродному проміжку.

Теоретичні положення

Повітряні проміжки є ізоляцією між проводами, проводами і тросами, проводами і опорами ПЛЕП, зовнішньою ізоляцією трансформаторів і електричних апаратів. Одним із питань проектування високовольтного електроустаткування є вибір мінімальних ізоляційних проміжків у повітрі. Це вирішується на базі загальних закономірностей формування електричних розрядів у повітрі, а також урахування впливу різних факторів на електричну міцність повітря.

Явище електричного пробою в газах пояснюється на основі фізичних уявлень про виникнення і розвиток електронних лавин у процесі іонізації атомів або молекул газу електронами, що прискорюються під впливом сил електричного поля.

Інтенсивність процесу іонізації характеризується коефіцієнтом ударної іонізації α, що визначається кількістю іонізацій, які робить один електрон на відстані 1см уздовж силових ліній електричного поля.

У повітрі, як і в інших електронегативних газах, основним процесом, що протидіє ударній іонізації, є прилипання електронів до нейтральних частинок з утворенням негативних іонів. Цей процес характеризує коефіцієнт прилипання η, який залежить від співвідношення E/p, виду газу і визначається за експериментальними даними.

Розвивання ударної іонізації в електронегативних газах описується за допомогою ефективного коефіцієнта ударної іонізації, що є різницею позитивних і негативних процесів:

(5.1)

Для старту електричного розряду в газі потрібен хоча б один ефективний електрон, який, прискорюючись у сильному електричному полі, набуває енергії, достатньої для іонізації. Вона породжує електронно-іонні лавини. Кількість електронів у лавині

, (5.2)

де n₀ - кількість стартових електронів; x - відстань, яку пройшла лавина вздовж силових ліній електричного поля.

Крім електронів та іонів у лавинах виникають фотони. Фотони з лавиною іонів діють на поверхню катода, у результаті чого біля катода можуть народжуватися вторинні електрони, у тому числі й ефективні. Якщо внаслідок взаємодії фотонів і лавини іонів біля катода з'явиться хоча б один ефективний електрон, то процес розряду стане самостійним. Напруга, за якої виконується умова самостійності розряду, називається початковою напругою U₀.

У неоднорідному електричному полі умова самостійності розряду виконується поблизу електрода з малим радіусом кривини, де виникає характерний для цих умов коронний розряд.

Початкові й пробивні напруги для найпростіших геометричних форм електродів можна визначити з емпіричних виразів.

Для паралельних площинних електродів

(5.3)

де δ - відносна густина повітря; d - відстань між електродами, см; U₀ - максимальна напруга, кВ.

Для кулі проти кулі

(5.4)

де r - радіус кулі; f - геометричний фактор.

Якщо напруга подається симетрично, то

. (5.5)

Якщо одна куля заземлена, то f визначається за даними табл.5.І.

Таблиця 5.1

d/r	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,5	2,0
f	1,03	1,07	1,10	1,15	1,20	1,25	1,31	1,38	1,45	1,52	1,91	2,34

При d/r << 2 формула (5.4) дає пробивну напругу проміжку, при d/r > 2 - напругу початку корони.

Для коаксіальних циліндрів

, (5.6)

де r₀, R - радіуси відповідно внутрішнього та зовнішнього циліндрів.

Якщо ln R/r₀ < 1, то формула (5.6) дає пробивну напругу проміжку, якщо lnR/r₀ > 1 - початкову напругу, якщо ln R/r₀ = 1 - найбільше значення пробивної напруги.

Більшість високовольтних конструкцій має гострі краї, задирки, різкі переходи від одного розміру в другий. Розрядні напруги у таких місцях наближаються до розрядної напруги несиметричних електродів голка - площина, де електричне поле має коефіцієнт неоднорідності, який обчислюють за формулою

(5.7)

більше чотирьох. Розрядна напруга у таких проміжках дуже залежить від полярності напруги на голці.

Розглянемо, що впливає на розрядні напруги проміжку голка - площина при різних полярностях голки. При поступовому підвищенні напруги, що прикладається на проміжку голка - площина, ударна іонізація починається насамперед поблизу голки, де напруженість поля максимальна. При цьому виникає спочатку “темний” несамостійний розряд що не супроводжується помітним світінням, і тільки при подальшому підйомі напруги формується корона, яку можна бачити.

Припустимо, що до проміжку голка - площина прикладено напругу, коли голка має позитивну полярність (рис.5.1). Розподіл напруженості електричного поля на цьому рисунку .

Рис.5.1. Розподіл напруженості електричного поля між "позитивною" голкою і "негативною" площиною

При деякому значенні напруги від зовнішнього джерела напруженість поблизу голки стає достатньою для розвитку ефективної ударної іонізації.

Внаслідок ударної іонізації біля кінчика голки виникає велика кількість вільних електронів і позитивних іонів. Більш рухливі електрони швидко зміщуються до голки і нейтралізуються на її поверхні. Менш рухливі позитивні мають велику масу порівняно з електронами, не встигають швидко вийти з області іонізації (до “негативної” площини вони переміщуються надто повільно) і поблизу “позитивної” голки виникає об’ємний позитивний заряд (див. рис.5.1).

Напруженість поля E_x, що створена зарядами на електродах (зовнішнім джерелом), спрямована від анода до катода.

Позитивний об’ємний заряд створює поле . Поблизу голки вектор напрямлений назустріч , а поблизу площини напруженість збігається з . Результуюча напруженість

У результаті аналізу кривої E_p(x) дійдемо висновку, що об'ємний позитивний заряд зменшує напруженість електричного поля поблизу голки і підвищує її в інших частинах проміжку. Такий розподіл напруженості поля гальмує виникнення видимої корони на кінці голки (вона з'являється саме перед пробоєм), а розвиток процесу іонізації у бік площини відбувається досить легко, тому що напруженість поля тут підвищена. Тому пробій проміжку відбувається за досить малої напруги.

Негативна полярність голки дає суттєво іншу картину (рис.5.2): до виникнення іонізації розподіл напруженості поля такий самий, як і у випадку “позитивної” голки, тому електронні лавини виникають у такому самому об’ємі проміжку поблизу голки. Лавини рухливих електронів розповсюджуються від області іонізації до анода, тобто до позитивної площини.

Рис.5.2. Розподіл напруженості електричного поля між "негативною" голкою та "позитивною" площиною

Електрони, що рухаються до площини, швидко залишають канали лавин, а звідси й позитивний об’ємний заряд, який складається з малорухливих позитивних іонів. Електрони, що рухаються до площини, переміщуються в поле меншої напруженості, втрачаючи свою швидкість і потрапляючи в більшості своїй “у полон” до молекул кисню з наступним утворенням малорухливих негативних іонів.

Об’ємний заряд у випадку “негативної” голки має структуру, що зображена на рис.5.2.

Криві тапоказують розподіл у проміжку напруженостей поля, які утворюються зарядами на електродах та об’ємними зарядами: - позитивним, - негативним.

Розглянувши результуючу напруженість можна побачити, що вона підвищується біля кінця голки, а це поліпшує формування видимої корони, проте розвиток процесу іонізації в бік площини гальмується, оскільки напруженість поля у більшій частині проміжку понижена. Напруга пробою має більше значення, ніж при “позитивній” голці.

Якщо до проміжку прикласти змінну напругу низької частоти, полярність голки періодично змінюватиметься, тому розряд у даному проміжку при плавному підвищенні напруги виникне саме тоді, коли голка “позитивна”, тобто рівень ізоляції газового проміжку за змінної напруги невеликий.

Розрядну напругу проміжку голка - площина можна збільшити застосуванням бар’єрів - тонкої пластини з діелектричного матеріалу (наприклад, паперу), яка розмішується в проміжку між електродами нормально до силових ліній електричного поля.

Експерименти показують, що наявність бар’єра в деяких випадках може значно підвищити розрядну напругу проміжку. Однак це відбувається не тому, що бар’єр має високий рівень ізоляції, яка додається до рівня ізоляції проміжку, а тому, що наявність у проміжку об’ємних зарядів суттєво спотворює електричне поле.

У випадку “позитивної” голки і “негативної” площини електрони, що виникли біля голки внаслідок ударної іонізації, швидко рухаються до голки і нейтралізуються на її поверхні.

Позитивні іони, що створюють позитивний об’ємний заряд, повільно перемішуються в бік негативної площини і рівномірно розтікаються по бар’єру.

На місці тих, що вибули з об’ємного позитивного заряду іонів, з'являються нові, тому що процес іонізації триває весь час.

Між позитивно зарядженим бар'єром і “негативною” площиною виникає поле, близьке до однорідного (площина навпроти площини), що призводить до підвищення розрядної напруги проміжку бар’єр - площина. Цьому також сприяє послаблення поля між голкою і бар'єром, тому що бар’єр, голка і об’ємний заряд позитивні.

Максимального підвищення розрядної напруги можна досягти тоді, коли відстань між бар’єром і голкою становитиме 10...20% загальної.

У разі змінної напруги рівень ізоляції такого проміжку визначається для “позитивної” голки, тому використання бар’єра на змінній напрузі підвищує рівень ізоляції проміжку. У півперіод, коли голка негативна, бар'єр не вплине на рівень ізоляції, який у цей півперіод і так досить високий.

Завдяки цьому бар’єри широко використовуються в ізоляційних конструкціях із різконеоднорідним полем.

Експериментальна установка і методика виконання роботи

Принципову схему експериментальної установки зображено на рис.5.3. Джерелом високої напруги промислової частоти є випробувальний трансформатор Т₁ типу ВОМ-100/25. Обмотка V спеціально зроблена для вимірювання високої вихідної напруги трансформатора кіловольтметром, шкала якого проградуйована в кіловольтах. Крім цього, ВН можна вимірювати за допомогою електростатичного кіловольтметра С-96, який підмикається до обмотки ВН, або за показами вольтметра pV1 встановлювати коефіцієнт трансформації трансформатора ВОМ-100/25. Ці вимірювання дають діючі значення напруги, тоді як іскровий вольтметр - амплітудні.

Плавне регулювання напруги трансформатора здійснюється за допомогою регулятора напруги T2. Змінити форму напруги, що подається на випробуваний проміжок (ВП), можна за допомогою з’ємного вентиля VD та перемички П. Установка вмикається рубильником видимого розриву S1, автоматом SF2 і контактором КМ. У коло живлення електромагніту контактора підключені блок - контакти дверей, що ведуть на випробувальне поле. З умов безпеки доступ до електродів, які розміщені на випробувальному полі, можливий, якщо установку повністю вимкнено, а також накладено переносне заземлення на вивід ВН трансформатора Т1 .

Електроди різної форми закріплюються на ізолюючій конструкції. Резистори R1, R2 обмежують струм розряду, що є захистом трансформатора та випрямляча від перевантаження. Коли виникає пробій, автоматичний вимикач SF2 вимикає установку. Пробивна напруга фіксується вольтметром pV2.

Рис.5.3. Схема дослідної установки

Не змінюючи відстані між електродами, спробу повторюють п’ять разів для визначення середньої пробивної напруги. Потім дистанційно змінюють відстань між електродами і дослід повторюють. Одержані результати заносять до табл.5.2.

Завдання

1. Ознайомитись зі схемою установки, розміщенням її елементів, порядком виконання роботи, правилами безпеки.

2. Дослідити електричну міцність повітряних проміжків при змінній напрузі промислової частоти для проміжків:

а) площина - площина; б) куля - куля; в) стержень - стержень; г) стержень - площина; д) коаксіальні циліндри.

3. Дослідити електричну міцність повітряних проміжків куля - куля і площина - площина при випрямленій напрузі. Зняти залежність U_пр=f(d) стержень - площина при позитивній (d = 1... 15 см) і негативній (d = 1...8 см) полярності стержня.

4. При позитивній полярності стержня встановити відстань 6 см між стержнем і площиною і ввести в проміжок діелектричний бар’єр. Зняти залежність U_пр=f(h) (h - відстань від стержня до бар’єра) при А = 1; 2; 3; 4; 5; б см. Одержані результати занести до табл.5.2.