Химия. Лабораторная работа по дисциплине Электроматериаловедение на тему Исследование электрической прочности диэлектриков

• Название: Лабораторная работа по дисциплине Электроматериаловедение на тему Исследование электрической прочности диэлектриков
• Анкор: Химия
• Дата: 15.04.2023
• Размер: 157.75 Kb.
• Имя файла: LABA_2_1__avtovosstanovlenie (1).docx
• Тип: Лабораторная работа; #1063648

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Псковский государственный университет»

Передовая инженерная школа гибридных технологий в станкостроении Союзного государства
в Псковском государственном университете

Лабораторная работа

по дисциплине: «Электроматериаловедение»

на тему «Исследование электрической прочности диэлектриков»

Выполнили

студенты группы

1431-08С

Сергеев А. А.

Никитин А. И.

Проверил

ассистент отделения

электроэнергетики,

электропривода и систем

автоматизации

Абдулаева Г. Н.

Псков

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы – ознакомление с основными представлениями о пробое и с методикой экспериментального определения электрической прочности газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков.

1. Основные положения

Пробой диэлектриков происходит в сильных электрических полях и связан с образованием проводящего канала в диэлектрике. Напряжённость поля, при которой диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства, называется пробивной напряжённостью, или электрической прочностью Различают пробой в однородном и неоднородном поле. Приблизительно однородное поле обеспечивается для сферических электродов, если радиус сферы много больше длины зарядного промежутка (толщины диэлектрика).

В случае однородного электрического поля электрическая прочность диэлектрика рассчитывается по формуле

(1)

где – пробивное напряжение,

– толщина диэлектрика.

В условиях эксплуатации важно знать, какое напряжение способно выдержать то или иное электрическое 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 Основной же характеристикой материала служит пробивная напряжённость (или электрическая прочность) определяемая из соотношения (1).

Величина электрической прочности характеризует качество диэлектрика и зависит от его свойств. Однако значительно зависит от условий испытания, от толщины диэлектрика, рода тока, скорости подъёма напряжения, формы электродов, температуры, атмосферного давления и прочих условий. Для того чтобы при испытаниях получались воспроизводимые величины для каждого материала, необходимо проводить опыты с соблюдением ряда требований, которые регламентируются ГОСТ 6433.3-80.

На электрическую прочность изоляционных материалов значительное влияние оказывает их неоднородность. Неоднородность диэлектрика вызывает искажение электрического поля, в котором расположен данный диэлектрик.

Предположим сначала, что макроскопически неоднородный диэлектрик находится в переменном электрическом поле и что проводимостью и диэлектрическими потерями его можно пренебречь, то есть



При этих допущениях единственным параметром диэлектрического материала, который может оказывать влияние на распределение напряжённости электрического поля по его объёму, является относительная диэлектрическая проницаемость

При макроскопически однородном по всему объёму диэлектрике напряжённость электрического поля в каждой точке диэлектрика вообще не зависит от εr диэлектрического материала. Так, в случае плоского конденсатора напряжённость поля определяется по формуле (2) для всех точек диэлектрика между обкладками, и поле является равномерным.

(2)

где – напряжение между обкладками, В;

– толщина диэлектрика, м.

Цилиндрический конденсатор даёт нам простейший пример неравномерного электрического поля. Согласно (3) максимальная напряжённость имеет место в точках, расположенных в непосредственной близости от внутренней обкладки (при ), а минимальная – в непосредственной близости от внешней (при ).

(3)

где – напряжение между обкладками, В;

и – соответственно радиусы внутренней и внешней обкладок, м;

– расстояние от оси цилиндрического конденсатора, м.

В плоском конденсаторе, содержащем два (или более) различных диэлектрика, соединенных параллельно, поле равномерно, и его напряжённость также определяется формулой (2).

Рассмотрим теперь конденсатор с различными диэлектрическими материалами, слои которых соединены последовательно друг с другом (слоистый диэлектрик). Напряжённость поля в каждом из последовательно соединенных слоёв уже неодинакова. Она будет обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости материала данного слоя. Электрическое смещение D в плоском конденсаторе постоянно во всем объёме диэлектрика; обозначая для двухслойного плоского конденсатора и – напряжённости в слоях 1 и 2 и и – относительные диэлектрические проницаемости материала этих слоев, имеем

откуда (4)

Рассчитаем значения напряжённости поля в слоях двухслойного плоского конденсатора. Обозначим и – толщины слоёв и и – напряжения на них, получим при последовательном соединении слоёв

(5)

где – полное напряжение на конденсаторе, В.

Решение системы уравнений (4) и (5) даёт значения напряжённости поля в обоих слоях

; (6)
В общем случае плоского многослойного ( слоёв) конденсатора

(7)

Для многослойного цилиндрического конденсатора (общий случай слоёв) напряжённость на расстоянии от оси (в -м слое)

(8)

где и – соответственно внешний и внутренний радиусы -гo слоя, м.

Как видно из (7) и (8), в отличие от случая многослойного плоского конденсатора порядок расположения материалов в слоях цилиндрического конденсатора существенно влияет на напряжённость поля в отдельных слоях. Для того чтобы получить наиболее выгодное распределение (получение более низких максимальных значений напряжённостей), нужно стремиться во внутренние слои многослойного цилиндрического конденсатора помещать диэлектрики с большей («градирование изоляции», применяемое, например, в технике силовых кабелей высокого напряжения).

Вышеприведённые формулы для расчёта справедливы для работы многокомпонентной изоляции при переменном напряжении. Для расчёта установившихся (через достаточно большое время после включения напряжения) напряжённостей электрического поля в многокомпонентной изоляции, работающей при постоянном напряжении, в эти формулы вместо значений компонентов нужно подставлять значения удельной объёмной проводимости соответствующих компонентов. Это объясняется тем, что вместо условия непрерывности вектора электрического смещения в основу расчёта для случая постоянного напряжения должно быть положено условие непрерывности вектора плотности тока сквозной проводимости .

Следует иметь ввиду, что в многослойном диэлектрике отношение диэлектрических проницаемостей слоёв, как правило, не соответствует отношению их удельных проводимостей, в связи с чем распределение напряжённости электрического поля по толщине изоляции при напряжении постоянного и переменного тока будет различным. Кроме того, распределение напряжённости в изоляции при напряжении переменного тока значительно меньше зависит от перепада температур в изоляции, чем при напряжении постоянного тока, так как значительно меньше зависит от температуры, чем (ρ) диэлектрика.
2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка создана на базе аппарата АИМ–80 (рисунок 1). Аппарат типа АИМ–80 предназначен для испытания диэлектриков на электрическую прочность повышенным напряжением переменного тока частотой 50 Гц.

Конструкция аппарата имеет следующие основные элементы:

бак с высоковольтным трансформатором;

регулятор напряжения (вариатор) с моторным приводом щётки;

сосуд для испытания (ячейка с электродами);

измерительный прибор, сигнальные лампы, пускатель магнитный, реле максимального тока.

Подъём испытательного напряжения на электродах производится автоматически с помощью электропривода с постоянной скоростью подъёма напряжения (3 кВ/с) до пробивного напряжения. Возврат щётки регулятора напряжения в нулевое положение может осуществляться путём нажатия на кнопку SB2 (6) или автоматически, режим выбирается тумблером S3 (9).

На лицевой панели лабораторной установки (рисунок 1) расположены:

PV – измерительный прибор, киловольтметр (поз. 1);

HLR – красная лампа (поз. 2);

HLY – жёлтая лампа (поз. 3);

HLG – зелёная лампа (поз. 4);

SB1 – кнопка включения испытательного напряжения (поз. 5);

SB2 – кнопка включения электродвигателя (поз. 6);

S1 – выключатель сети (поз. 7);

S2 – тумблер–выключатель электродвигателя (поз. 8);

S3 – тумблер–переключатель автоматической/ручной установки нуля напряжения вариатора (поз. 9);

S4 – тумблер включения вытяжного вентилятора (поз. 10).

Электрическая схема аппарата АИМ–80 представлена на рисунке 2 Питание подводится к аппарату от сети 220 В.



Рисунок 1 – Внешний вид лабораторной установки для исследования электрической прочности диэлектриков



Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема аппарата АИМ–80

Если щётка вариатора находится в нулевом положении (контакты замкнуты), дверца, открывающая доступ к испытательному сосуду, закрыта (контакты дверной блокировки и замкнуты) и тумблер–выключатель находится в положении "включено", то при нажатии кнопки срабатывает контактор – электродвигатель начинает перемещать щётку вариатора . При этом на выводах вторичной обмотки трансформатора и электродах испытательного сосуда начинается равномерно повышаться напряжение. Величина испытательного напряжения контролируется прибором

В момент пробоя диэлектрика срабатывает максимальное реле тока KA, контактор KM обесточивает трансформатор T1 и отключает электродвигатель M, при этом стрелка измерительного прибора PV фиксируется.

Для возврата щётки вариатора и стрелки измерительного прибора в нулевое положение необходимо нажать кнопку , после чего осуществляется реверс электродвигателя . Если тумблер находится в положении “Авто”, то установка нулевого положения щётки вариатора происходит автоматически после срабатывания реле максимального тока , необходимость нажатия кнопки отсутствует.

При возвращении щётки вариатора и стрелки прибора в нулевое положение срабатывает блокировка вариатора , отключается электродвигатель и загорается сигнальная лампа (жёлтая), которая укажет на готовность схемы аппарата к повторному включению высокого напряжения.

Сигнальная лампа (зелёная) указывает на включение сети, лампа (красная) – на включении высокого напряжения.

Внимание! Прежде чем включить аппарат под напряжение, необходимо соблюдать следующие правила безопасности:

аппарат должен быть заземлён – проверить надёжность заземления;

запрещается включать высокое напряжение, если в аппарат не установлен испытательный сосуд;

испытания необходимо производить при закрытой дверце, открывающей доступ к испытательному сосуду;

не допускается работать на аппарате при напряжении выше 80 кВ;

выемку и установку испытательного сосуда следует производить после выключения сетевого выключателя аппарата;

испытания необходимо производить, стоя на резиновом коврике;

испытания производятся двумя операторами, причём один из них выполняет необходимые операции, а другой – наблюдает за правильностью выполнения этих операций. Остальные лица наблюдают за ходом испытаний и производят необходимые записи в журнал наблюдений.
3. Порядок выполнения работы

3.1. Исследование электрической прочности газообразного диэлектрика

Развести электроды. Если установлен образец твёрдого диэлектрика, то необходимо извлечь его из испытательной камеры.;

Осуществить выбор испытываемого газообразного диэлектрика (элегаз или воздух);

Величина зазора устанавливается случайным образов при нажатии на кнопку сближения электродов;

Произвести измерение пробивного напряжения при температуре окружающей среды и нормальном атмосферном давлении;

включить аппарат в сеть, при этом должна загореться зелёная лампа (поз. 4). После включения необходимо проверить, чтобы стрелка измерительного прибора (поз. 1) стояла на нуле и горела жёлтая лампа (поз. 3);

нажать кнопку (поз. 5) включения испытательного напряжения, при этом должна загореться красная лампа (2) и погаснуть жёлтая (поз. 3). После пробоя образца испытательное напряжение автоматически отключается, величина пробивного напряжения фиксируется измерительным прибором (поз. 1); показания прибора и толщину зазора записать в таблице 1.;

после снятия показания необходимо стрелку измерительного прибора (поз. 1) возвратить на нуль путём нажатия на кнопку (поз. 6). При возвращении стрелки на нуль должна загореться жёлтая лампа (поз. 3); отключить сетевой выключатель (поз. 7). Рассчитать пробивную прочность Епр по формуле (1), результат расчёта занести в таблицу 1.

Не изменяя зазора, повторить измерения электрической прочности газа при увеличении температуры, показания прибора записывать в таблице 1.

Не изменяя зазора и уменьшив температуру до температуры окружающей среды, повторить измерения электрической прочности газа при увеличении давления от вакуума, показания прибора записывать в таблице 1.

3.2. Исследование электрической прочности жидкого диэлектрика

По заданию преподавателя испытательный сосуд заполняется трансформаторным маслом или перфторуглеродной жидкостью, устанавливается зазор между электродами, и производится пробой в порядке, описанном в п. 3.1.

Необходимо снять зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика от температуры. Результаты сводятся в таблице 2.

3.3. Исследование электрической прочности твёрдого диэлектрика

Пробой твёрдых диэлектриков производится в специальной измерительной ячейке, снабженной прижимными электродами. Чтобы исключить перекрытие между электродами, твёрдые диэлектрики испытывают на пробой в жидком диэлектрике.

Вначале подготавливают образцы размером 50х50 мм в необходимом количестве. Исходные данные для расчёта количества образцов. Испытуемые образцы твёрдых диэлектриков задаются преподавателем. Толщина образца измеряется и записывается в таблице 3.

Испытания на пробой, выполняются в порядке, описанном в п. 3.1. Необходимо снять температурную зависимость электрической прочности заданного преподавателем образца твёрдого материала. Определяется пробивная напряжённость , по формуле (1), и полученные результаты заносятся в таблицу 3.
Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений для газового диэлектрика

Элегаз, 6,6 мм
Величина	Опыт №1
, Бар	1
,	14	19	24	29		34	39	44		49	54		59	64	69		74	79	84		89	94	99		104	109
, кВ	53	52	51	50		49	48	48		47	46		45	44	44		43	43	42		42	41	40		40	39
, кВ/мм	8,03	7,88	7,73	7,58		7,42	7,27	7,27		7,12	6,97		6,82	6,67	6,67		6,52	6,52	6,36		6,36	6,21	6,06		6,06	5,91
Величина	Опыт №2
,	24
, Бар	0				0,2				0,7			1				1,3				1,7				2
, кВ	36				12				36			51				63				86				100
, кВ/мм	5,45				1,82				5,45			7,73				9,55				13,03				15,15

Таблица 2 – Результаты измерений и вычислений для жидкого диэлектрика

Величина	Перфторуглеродная жидкость, 1,25 мм
,	13	18	23	28	33	38	43	48	53	58	63	68	73	78	83	88	93	98	103	108
, кВ	62	62	62	61	61	60	60	60	60	60	59	59	59	59	59	58	58	58	57	57
, кВ/мм	49,6	49,6	49,6	48,8	48,8	48,0	48,0	48,0	48,0	48,0	47,2	47,2	47,2	47,2	47,2	46,4	46,4	46,4	45,6	45,6

Таблица 3 – Результаты измерений и вычислений для твердых диэлектриков

Величина	Гетинакс, 1,52 мм
,	13	18	23	28	33	38	43	48	53	58	63	68	73	78	83	88	93	98	103	108
, кВ	37	37	37	37	36	36	36	35	34	34	33	32	31	30	28	26	24	22	20	18
, кВ/мм	24,34	24,34	24,34	24,34	23,68	23,68	23,68	23,03	22,37	22,37	21,71	21,05	20,39	19,74	18,42	17,11	15,79	14,47	13,16	11,84
Величина	Винипласт, 1,95 мм
,	13	18	23	28	33	38	43	48	53	58	63	68	73	78	83	88	93	98	103	108
, кВ	39	38	38	38	38	37	37	37	36	36	35	34	33	32	30	29	27	26	23	20
, кВ/мм	20	19,49	19,49	19,49	19,49	18,97	18,97	18,97	18,46	18,46	17,95	17,44	16,92	16,41	15,38	14,87	13,85	13,33	11,79	10,26
Величина	Текстолит, 1,25 мм
,	13	18	23	28	33	38	43	48	53	58	63	68	73	78	83	88	93	98	103	108
, кВ	22	22	21	21	21	20	20	20	20	20	19	19	18	18	17	16	14	13	12	10
, кВ/мм	15,17	15,17	14,48	14,48	14,48	13,79	13,79	13,79	13,79	13,79	13,10	13,10	12,41	12,41	11,72	11,03	9,66	8,97	8,28	6,90

По данным таблицы 1 были построены следующие графики зависимости пробивной напряженности от температуры.



Рисунок 3 – График зависимости пробивной напряженности газообразного диэлектрика от температуры.



Рисунок 4 – График зависимости пробивной напряженности газообразного диэлектрика от давления.

По данным таблицы 2 был построен следующий график зависимости пробивной напряженности от давления.


Рисунок 5 – График зависимости пробивной напряженности жидкого диэлектрика от температуры.

По данным таблицы 3 были построены следующие графики зависимости пробивной напряженности твердых диэлектриков от температуры.



Рисунок 6 – График зависимости пробивной напряженности образцов твердых диэлектриков в жидком диэлектрике от температуры.

1. Даже в простейшем случае (при однородном поле) имеется немало факторов, влияющих на электрическую прочность газовой изоляции: природа газа, давление, расстояние между электродами, форма приложенного напряжения и его длительность, условия ионизации промежутка и род металла, из которого изготовлены электроды.

В однородном поле при давлениях газа выше атмосферного пробивное напряжение увеличивается по закону Пашена с ростом произведения ps, где р — давление газа, s — расстояние между электродами Un-p = f (ps)

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при воздействии поля получает некоторую добавочную скорость и начинает в зависимости от знака заряда перемещаться в направлении поля или против его. При этом заряженная частица приобретает дополнительную энергию.

Дополнительная энергия заряженных частиц сообщается атомам или молекулам газа, с которыми частицы сталкиваются. Если энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту или ионизация молекул, т.е. их расщепление на электроны и положительные ионы.

Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных частиц на катоде возникает катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа.

(Пробой протекает в результате ударной ионизации молекул или ионов диэлектрика электронами, движущимися с высокой скоростью под действием электрического поля. В результате ударной ионизации в диэлектрике между электродами создается сплошной плазменный канал (стример) с высокой электропроводностью, состоящий из электронов и положительных ионов.)

Вывод: Пробивное напряжение элегаза зависит от давления. При давлениях газа выше атмосферного пробивное напряжение и увеличивается по закону Пашена.

Про вакуумный пробой

То, что происходит при вакуумном пробое, может происходить только с материалом электродов. А как материал электродов попадает в зазор?

Собственно, путь для этого один — испарение и заполнение парами материала электродов вакуумного зазора. А уж в этом паре происходит пробой, зажигается разряд (если хватает мощности, горит дуга), прибор разрушается.

При наличии между электродами электрического напряжения на микроостриях катода начинается автоэлектронная эмиссия, приводящая к появлению так называемых темновых, или предпробойных, токов. При увеличении напряжения происходит формирование сильноточного искрового разряда в газе, десорбированном с поверхности электродов. Этот искровой разряд может перейти в вакуумную дугу, развивающуюся в парах металлов электродов
2. Жидкие диэлектрики, обладая высокой электрической прочностью, легко проникают в поры волокнистых материалов, заполняют все промежутки и, тем самым, значительно увеличивают электрическую прочность изоляции машин и аппаратов.

Жидкие электроизоляционные материалы обладают высокой теплоёмкостью и высоким коэффициентом теплопередачи. Поэтому применение жидких диэлектриков позволяет значительно улучшить отвод тепла от токоведущих частей машин и аппаратов и, следовательно, повысить их мощность.

На пробой жидких диэлектриков существенное влияние оказывает множество факторов, которые могут как понижать пробивное напряжение (загрязнения, увлажнение и др.), так и увеличивать его (очистка, давление, барьеры и т. д.). Основные факторы, изменяющие :

2) вязкость (уменьшение вязкости уменьшает );

3) температура (с увеличением температуры уменьшается; на импульсном напряжении это влияние незначительное; для технически чистого масла

зависимость = f (T оC) носит сложный характер);

5) наличие барьеров (барьеры могут существенно повысить ), особенно в резконеоднородном поле;

7) форма, площадь электродов и расстояние между ними (форма электродов создает поля разной степени неоднородности при S = const; чем больше коэффициент неоднородности, тем ниже ; с увеличением площади электродов уменьшается; увеличение расстояния увеличивает );

8) полярность электродов при несимметричной их форме (при отрицательной полярности пробивные напряжения больше, чем при положительной; этот эффект тем больше, чем более полярен диэлектрик).

Пробой жидких диэлектриков – явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и многими факторами, влияющими на развитие пробоя (загрязнение, форма, размеры и материал электродов, температура, давление и др.)
3. На величину твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение.

По результатам измерений твердых диэлектриков мы видим, что образец Гетинакс наиболее устойчив к пробою относительно других образцов (Винипласт и Текстолит).