Лабораторная работа 1 Исследование электрической прочности диэлектриков. Лабораторная работа 1 электротехнические материал. Исследование электрической прочности диэлектриков
 Скачать 214.5 Kb.
|
|
Министерство науки и ВЫСШЕГО образования Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» Кафедра электроэнергетики и электротехники Выполнил: Проверила: Калиничева О.А., к.т.н., доцент Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВЦель работы – ознакомление с основными представлениями о пробое и с методикой экспериментального определения электрической прочности газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков.  Рисунок - Принципиальная схема установки АИМ Таблица 1 - Результаты исследования электрических разрядов в воздухе. Газообразный диэлектрик: ______Воздух______________d = __5,08___ мм (указать материал)
Таблица 2 - Результаты исследования электрической прочности жидких диэлектриков. Жидкий диэлектрик: __Трансформаторное масло_________d = __2,56___ мм (указать материал)
Таблица 3 - Результаты исследования электрической прочности твёрдых диэлектриков. Твёрдый диэлектрик: ______Фторопласт 4 ______________d = __2,37___ мм (указать материал)
ГРАФИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ  Рисунок 1 - График исследования электрических разрядов в воздухе при изменении температуры воздуха  Рисунок 2 - График исследования электрических разрядов в воздухе при изменении давления  Рисунок 3 - График исследования электрической прочности жидких диэлектриков.  Рисунок 4 - График исследования электрической прочности твёрдого диэлектрика. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Исходя из полученных данных можно сказать, что электрическая прочность воздуха при увеличении температуры понижается, при повышении давления электрическая прочность воздуха повышается, электрическая прочность трансформаторного масла при увеличении температуры уменьшается, электрическая прочность фторопласта 4 при повышении температуры уменьшается. ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ 1 Цель и метод испытания диэлектриков на электрическую прочность. Влияние скорости подъема напряжения Целью испытания диэлектриков является выяснить какое напряжение выдержит то или иное диэлектрическое изделие. Напряжение, приложенное к электрической изоляции изделия, должно быть значительно ниже той величины, при которой наступает электрический пробой. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Unp. Основной же характеристикой материала служит пробивная напряжённость (или электрическая прочность) Епр. Испытывают диэлектрики аппарат типа АИМ–80 (Рисунок 5) предназначен для испытания диэлектриков на электрическую прочность повышенным напряжением переменного тока частотой 50 Гц. Подъём испытательного напряжения на электродах производится автоматически с помощью электропривода с постоянной скоростью подъёма напряжения (3 кВ/с) до пробивного напряжения.  Рисунок 5 - Схема АИМ-80 Если щётка вариатора AT находится в нулевом положении (контакты QS3 замкнуты), дверца, открывающая доступ к испытательному сосуду, закрыта (контакты дверной блокировки QS1 и QS2 замкнуты) и тумблер– выключатель S2 находится в положении "включено", то при нажатии кнопки SB1 срабатывает контактор KM – электродвигатель M начинает перемещать щётку вариатора AT. При этом на выводах вторичной обмотки трансформатора и электродах испытательного сосуда UA начинается равномерно повышаться напряжение. Величина испытательного напряжения контролируется прибором PV.В момент пробоя диэлектрика срабатывает максимальное реле тока КА, контактор КМ обесточивает трансформатор TI и отключает электродвигатель М при этом стрелки измерительного прибора фиксируются. Для возврата щетки вариатора АТ и стрелка измерительного прибора PV в нулевое положение необходимо нажать кнопку SB2 после чего осуществляется реверс электродвигателя М. Если тумблер s3 находится в положении «Авто», то установка нулевого положения щетки вариатора происходит автоматически после срабатывания реле максимального тока КА. При возвращении щетки вариатора и стрелки прибора в нулевое положение срабатывает блокировка вариатора QS3, отключается электродвигатель и загорается сигнальная лампа HLY (жёлтая), которая укажет на готовность схемы аппарата к повторному включению высокого напряжения. Сигнальная лампа HLG (зелёная) указывает на включение сети, лампа HLR (красная) – на включении высокого напряжения. Сигнальная лампа HLG (зелёная) указывает на включение сети, лампа HLR (красная) – на включении высокого напряжения. Существенное влияние на результаты пробоя при наличии краевых разрядов оказывает также скорость подъема напряжения. При небольшой скорости подъема напряжения, ниже чем 1 кВ в секунду примерно, возможно возникновение электротеплового пробоя. При таком пробое пробивное напряжение и прочность получаются ниже чем при большей скорости подъема напряжения, когда наблюдается только электрический пробой. 2. При высокой скорости подъема напряжения, свыше 10 кВ/мкс, существенное влияние на величину пробивного напряжения оказывает скорость развития процессов ионизации. С увеличением скорости нарастания напряжения пробивное напряжение увеличивается. Это описывается Вольт-секундной характеристикой (ВСХ). 2. Влияние полярности электродов системы игла–плоскость на пробой газообразного диэлектрика. Тело лавины электронов состоит из положительных ионов, подвижность которых намного меньше электронов, так как их масса примерно на 3 порядка больше электронов. Поэтому при движении лавины образуется «облако» положительного объемного заряда, расположенного вблизи стержня. Если полярность стержня положительная, то положительный объемный заряд, суммируясь с внешним электрическим полем источника питания, увеличивает результирующую напряженность поля вблизи стержня и приближает этот максимум к противоположному электроду и, как следствие, уменьшается пробивное напряжение промежутка стержень – плоскость. При отрицательной полярности стержня объемный заряд вычитается из внешнего поля. Результирующая напряженность уменьшается, а пробивное напряжение промежутка растет. Таким образом, пробивное напряжение газового промежутка при положительном стержне меньше, чем при отрицательном примерно в 2,5 раза. 3. Влияние частоты электрического поля на пробой газа. Взаимодействие ионов, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа приводит к образованию дополнительного количества положительных ионов и электронов. Внешнее электрическое поле разносит ионы и электроны в разные стороны. Однако по мере движения ионы рекомбинируют с электронами. Таким образом, одновременно развиваются два процесса: а) размножение заряженных частиц за счет ионизации молекул и б) уменьшение количества заряженных частиц за счет их взаимной рекомбинации. В случае постоянного электрического поля концентрация заряженных частиц в межэлектродном пространстве зависит только от напряженности поля. При увеличении напряженности поля происходит преобладание процесса ионизации над процессом рекомбинации и при определенной напряженности поля происходит пробой. Процессы изменения концентрации ионов, происходящие в низкочастотных полях, аналогичны процессам в постоянном поле. Однако в высокочастотных полях концентрация заряженных частиц меняется. При достаточно высоких частотах подвижные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Малоподвижные положительные ионы с большой массой за время полу периода колебаний не успевают сместиться на сколь либо значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет. Появляется так называемый «объемный заряд». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электропрочность газов снижается. Дальнейший рост частоты электрического поля (или уменьшение его полу периода) приводит к тому, что за время полу периода не только положительные ионы не успевают сместиться на сколь либо значительные расстояния, но и электроны не успевают вылететь из межэлектродного пространства. Вероятность рекомбинации заряженных частиц растет и их концентрация падает. Кроме того, снижение времени полу периода требует увеличения силы, действующей на ионы, чтобы кинетической энергии хватило для ионизации молекул. Поэтому при частотах, превышающих мегагерц, электропрочность газов возрастает. 4. Изменение электрической прочности газа в функции давления При повышении давления выше атмосферного электропрочность газа растет. Это связано с уменьшением межмолекулярных расстоянием и снижением длины свободного пробега ионов. При снижении давления электрическая прочность газа уменьшается и даже под действием поля малой напряженности газ начинает светиться. Для случая воздуха, чем ниже давление, тем меньше длина волны испускаемого света, то есть по мере уменьшения давления цвет свечения меняется с красного до синего. При низких давлениях (менее 10-4 торр.) воздух перестает светиться - «черный вакуум». Изменения длины светового излучения связано с тем, что по мере снижения давления длина пробега ионов возрастает и ионы набирают большую кинетическую энергию. Соответственно возбужденные столкновениями с ионами электроны атомов испускают кванты большей энергии или меньшей длины. При разряжении, соответствующем «черному вакууму» концентрация молекул в межэлектродном пространстве насколько мала, что длина пробега ионов сравнивается с межэлектродным промежутком. Поэтому вероятность ионизации молекул становится ничтожно малой и пробой наступает за счет вырывания электронов из электродов 5. Механизм пробоя газов. Процесс образования стримера. Механизм пробоя газообразных диэлектриков. Даже при нормальных условиях в газах всегда содержится некоторое количество свободных заряженных частиц (электронов и ионов). Они постоянно возникают за счет фотоионизации молекул под действием солнечного, космического и радиоактивного излучений. Предположим, что в какой-либо точке поля возник такой свободный электрон. Если напряженность поля между электродами достаточно велика, то свободный электрон, разгоняясь, приобретает кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. При столкновении с молекулой он выбивает из нее положительный ион и еще один свободный электрон. Разгоняясь в электрическом поле, каждый из этих электронов в свою очередь ионизирует по молекуле, что приводит к образованию уже четырех свободных электронов. В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов. С увеличением числа электронов в головке лавины возрастает напряженность на фронте лавины На хвосте лавины напряженность понижена. Электроны в головке лавины останавливаются и могут рекомбинировать с ионами. При рекомбинации излучаются фотоны, которые способны вблизи хвоста первичной лавины ионизировать нейтральные молекулы, образуя вторичные лавины. Вторичные лавины, следуя по силовым линиям и имея на головке избыточный отрицательный заряд (электроны), втягиваются в область положительного объемного заряда, оставленного первичной лавиной. Электроны вторичных лавин смешиваются с положительными ионами первичной лавины и образуют стример – область с наибольшей плотностью тока, которая, разогреваясь, начинает светиться, а наибольшая концентрация частиц (плотность тока) образуется вблизи катода. Картина образования стримера приведена на рис. 1.7. Для фотоионизации в объеме газа энергия фотонов должна быть больше энергии ионизации. Этот процесс успешно осуществляется в смесях газов, содержащих компоненты с относительно низкой энергией ионизации (в том числе и в воздухе). Бомбардировка катода положительными ионами эффективна при низких давлениях газа.  Рисунок 6 - Механизм развития катодного стримера Критерием перехода лавинного разряда в стримерный является критическое число электронов в лавине. Расчеты показывают, что при числе электронов nкр ≥ 107–109 лавина переходит в стример. Для накопления такого количества электронов лавина должна пройти определенное критическое расстояние xкр. Следовательно, с увеличением расстояния между электродами (свыше xкр) лавина неизбежно перейдет в стримерную форму развития разряда. 6. Условие и сущность ударной ионизации. Понятие энергии ионизации Ионизация - процесс превращения нейтрального атома в положительный или отрицательный ион. В процессе пробоя большого промежутка в газовом диэлектрике, друг за другом следуют несколько стадий. В газовом промежутке, в результате фотоионизации молекулы газа, непосредственно из металлического электрода, или случайно, появляется свободный электрон. Появившийся в промежутке свободный электрон разгоняется электрическим полем, энергия электрона при этом растет, и в конце концов становится достаточной для ионизации нейтрального атома при соударении с ним. То есть происходит ударная ионизация. Вследствие, множества актов ударной ионизации образуется и развивается электронная лавина. Образуется стример — плазменный канал, сформированный положительными ионами, которые остались после прохождения лавины электронов, и отрицательными, которые теперь втягиваются в положительно заряженную плазму. Емкостный ток через стример вызывает термоионизацию, и стример преобразуется в лидер. При замыкании разрядного промежутка каналом разряда происходит главный разряд. Если разрядный промежуток достаточно мал, то процесс пробоя может закончиться уже на стадии лавинного пробоя или на стадии образования стримера — на стадии искры 7. Изменение электрической прочности газа в функции расстояния между электродами. Электрическую прочность газов определяют: -Расстояние между электродами; -Давление в пробиваемом газе; Сродство молекул газа к электрону, электроотрицательность газа. Связь с давлением объясняется так. С ростом давления в газе, расстояния между его молекулами уменьшаются. Электрону при разгоне необходимо на длине свободного пробега, гораздо меньшей, приобрести ту же энергию, которой хватит для ионизации атома. Данная энергия определяется скоростью электрона при соударении, а скорость развивается за счет ускорения силой, действующей на электрон со стороны электрического поля, то есть за счет его напряженности. При уменьшении расстояния между электродами электрическая прочность быстро возрастает, что объясняется трудностью формирования разряда в малом промежутке. Электроны не успевают набрать необходимую для ионизации энергию до столкновения с анодом. Форма электродовсущественно влияет на электрическую прочность газов, что объясняется в первую очередь неоднородностью электрического поля и появлением локальных перенапряжений. 8 Механизмы пробоя жидких диэлектриков. Влияние примесей на электрическую прочность жидкостей. Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие механические частицы. Наличие примесей значительно усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов пробоя. В максимально очищенных от примесей жидкостях при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами, как и в случае пробоя газов. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно уменьшенной длиной свободного пробега электронов. Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, которое приводит к образованию газового мостика между электродами. Опыт свидетельствует о большом влиянии примесей на электрическую прочность жидкого диэлектрика. Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсами. Пробой жидкости при радиочастотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что может приводить к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности поля для жидких диэлектриков на радиочастотах оказываются ниже, чем на промышленной частоте. 9. Механизм процесса теплового пробоя в твёрдых диэлектриках. Условие его возникновения. Факторы, влияющие на тепловой вид пробоя. Тепловой пробой возникает вследствие нарушения теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи в диэлектрике, диэлектрик нагревается что приводит к тепловому разрушению материала, и потере электрической прочности в результате чего происходит пробой.При электрическом пробое твердых диэлектриков практически не зависит от температуры. Однако в диэлектриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, при некоторой температуре возможна термическая ионизация ловушек, увеличение концентрации электронов и уменьшение электрической прочности. 10. Механизм электрохимического пробоя, условия его возникновения. Катализаторы электрохимического старения Электрохимический пробой возникает в результате электрического старения диэлектрика, под воздействием окружающей среды и электрического поля. Воздействие внешних факторов приводит к протеканию необратимых химических процессов в диэлектрике, в результате физико-химические сво-ва диэлектрика ухудшаются и его электрическая прочность снижается Катализаторами электрохимического старения являются поры в твердых диэлектриках которые заполнены влагой или газами они значительно искажают электрическое поле в результате чего происходит пробой диэлектрика, также катализатором является повышенная температура, и высокая влажность 11 Характерные признаки электрического вида пробоя. Условие его возникновения Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя. В материале изоляции четко видно место пробоя в резине — это отверстие, в изоляторах например это темные точки, видно механическое изменение изоляции и др. Условие возникновения пробоя — это когда при напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. 12 Влияние неоднородности диэлектриков на электрический пробой Неоднородность диэлектрика вызывает искажение электрического поля, в котором расположен данный диэлектрик. Микротрещины, поры, посторонние включения, имеющие величину напряженности пробоя меньшую, чем сам диэлектрик, породят неоднородности в картине напряженности электрического поля внутри диэлектрика, а значит локальные участки внутри диэлектрика будут иметь большую напряженность и может наступить пробой при напряжении более низком, чем можно было бы ожидать, будь диэлектрик идеально однородным. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||