Методические указания к выполнению лабораторных работ Иркутск 1997
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
жение, кВ Расстояние между шарами, см Пробивное напря- жение, кВ 1.0 31.7 6.5 177 1.2 37.4 7.0 189 1.4 42.9 7.5 202 1.6 48.1 8.0 214 1.8 53.5 9.0 239 2.0 59.0 10.0 263 2.2 64.5 11.0 286 (287) 2.4 70.0 12.0 309 (311) 2.6 75.5 13.0 331 (334) 2.8 81.0 14.0 353 (357) 3.0 86.0 15.0 373 (380) 3.5 99.0 16.0 392 (402) 4.0 112 17.0 411 (422) 4.5 125 18.0 429 (442) 5.0 138 19.0 445 (461) 5.5 151 20.0 460 (480) 6.0 164 22.0 489 (510) Примечание. До расстояния 11.0 см пробивные напряжения для импульсов по- ложительной полярности совпадают с пробивными напряжениями импульсов отрица- тельной полярности. Начиная с расстояния 11.0 см в скобках указаны пробивные на- пряжения для импульсов положительной полярности. При соблюдении требований к установке, включению шаров и про- ведению измерений погрешности измерений не превышают 3%. На относительно низких напряжениях небольшие двухпроцентные изменения расстояния между шарами измерительного разрядника делать затруднительно. Вместо изменения расстояния можно использовать изме- нение зарядного напряжения ступенями около 3% от зарядного напряже- ния, при котором ожидается пробой измерительного разрядника. Если не удается зафиксировать 50% напряжение, то можно воспользоваться двумя значениями зарядных напряжений, отстоящими друг от друга на 3-5%, при одном из которых пробои в серии из 10 импульсов происходят всегда, а при другом – не происходят вовсе. Среднее значение этих напряжений бу- дет соответствовать зарядному напряжению, при котором генерируется 65 импульс с амплитудой, равной пробивному напряжению разрядника при данном расстоянии между шарами. Из табл. 1 можно найти это напряже- ние, определив расстояние по индикатору межэлектродного расстояния измерительного шарового разрядника. При необходимости нахождения промежуточных значений производится линейная интерполяция по табли- це. Изменение расстояния между электродами измерительного шарового разрядника осуществляется дистанционно с помощью кнопок на правой стороне пульта. Нажатие кнопки или → ← запускает привод разрядника на разведение или сведение шаров, кнопка останавливает привод. Кроме того, на приборной панели расположены кнопки управления расстоянием между поджигающими искровыми промежутками , кнопка запуска генератора , а также следующие приборы: • вольтметр P1 сетевого напряжения; • амперметр для измерения тока в низковольтной обмотке зарядного трансформатора Т2; • вольтметр P3 для измерения зарядного напряжения; • индикатор межэлектродного расстояния поджигающих искровых промежутков; • индикатор межэлектродного расстояния измерительного шарового разрядника. Генератор ГИН-500 оснащен дополнительными устройствами , об- легчающими работу с ним. К ним относятся следующие устройства: - устройство для зажигания генератора SQST-1 с выходным блоком SQS-2; - устройство для автоматического управления поджигающими ис- кровыми промежутками и контроля за зарядным напряжением SQST-3; - универсальный вольтметр MUT-7; - автоматическое разрядное устройство QE2, заземляющее конденса- торы при отключении напряжения или открывании двери испытательного поля; - устройство среза импульсной волны SESF-0.2/24. Порядок работы на генераторе следующий. 1. После допуска к работе проверить подключение на испытательном поле заземления, делителей напряжения и измерительного шарового раз- рядника. Проследить, к какому делителю напряжения подключен измери- тельный кабель вольтметра. При входе на испытательное поле следует накладывать заземляю- щую штангу на потенциальный вывод конденсатора первой ступени. Вы- ходя из ячейки, штангу с конденсатора следует снять и закрыть за собой дверь ячейки. Находиться кому-либо в ячейке испытательного поля при 66 закрытой двери запрещается. 2. Включить питание цепей управления с помощью замкового вы- ключателя и кнопки на левой стороне пульта с меткой . При этом заго- раются зеленые сигнальные лампы в кнопках SB1 и SB2, а также в кнопках с надписью 1 в устройствах SQST1, SQST3, MUT7. → 3. Нажатием зеленых кнопок 1 включить устройства SQST1, SQST3 и вольтметр MUT7. Переключатели с метками и Z на блоке SQST1 должны быть в положении (внутренние сигналы). Через 10-15 мин, не- обходимых для прогрева тиратрона выходного блока SQS2, нажать кнопку с меткой на устройстве SQST1. 4. На наборном поле устройства SQST3 установить требуемую вели- чину зарядного напряжения и нажать на устройстве SQST3 кнопку с мет- кой . При этом привод поджигающих разрядников автоматически устанавливает требуемое расстояние между шарами разрядников. 5. На вольтметре MUT7 нажать кнопку с меткой , а также выбрать нужную полярность кнопками + или - (при начальном включении вольт- метра устанавливается минус и предел измерения 800 В). Вольтметр готов к измерению амплитуды стандартного грозового импульса выбранной по- лярности, полное отклонение стрелки соответствует амплитуде 800 В на входе вольтметра. 6. Включить главный контактор SB1 нажатием на зеленую кнопку . Зеленая лампа погаснет, загорится красная лампа в отключающей кнопке. 7. Громко предупредив окружающих: «Включаю высокое напряже- ние!» - нажать зеленую кнопку контактора рабочего режима SB2 с меткой . Зеленая лампа погаснет, загорится красная лампа в отключающей кнопке и сигнальная лампа у входа в ячейку испытательного поля, опус- тится стержень разрядного выключателя QE2, и разведутся шары защитно- го разрядника блока SQS2. Генератор готов к работе. 8. Кратковременными нажатиями на кнопку медленно повы- сить зарядное напряжение, контролируя его величину по прибору с надпи- сью U ↑ L на пульте. Переключатель пределов U L (в правой стороне пульта) установить в требуемое положение в соответствии с величиной зарядного напряжения. Привод регулировочного трансформатора повышает напря- жение только при нажатой кнопке ↑ и автоматически переводит транс- форматор в нулевое положение при отключении рабочего контактора. При необходимости понизить напряжение нужно нажать кнопку , затем кнопку ↓ . Двигатель привода будет понижать напряжение до нажатия кнопки или до нуля. ВНИМАНИЕ! ЗАРЯДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВЫШЕ 75 КВ НЕ ПОД- 67 НИМАТЬ! 9. При достижении 90% установленного на указателе блока SQST3 напряжения на этом блоке загорается сигнальная лампа . Аккуратно ус- тановив нужное напряжение, нажать кнопку поджига на пульте ГИН (справа). Генератор выработает импульс напряжения, а вольтметр покажет амплитуду напряжения на своем входе. При перезарядке конденсаторов на 110% установленного на SQST3 зарядного напряжения рабочий контактор автоматически отключается и конденсаторы установки заземляются. 10. Выключение генератора производится в следующем порядке: • нажатием кнопки перевести регулировочный трансформатор в ну- левое положение; зарядное напряжение будет медленно снижаться из-за разряда через резистор R2; ↓ • отключить кнопку устройства SQST3; • отключить кнопку устройства SQST1; • при достижении напряжения около 20 кВ можно отключить рабочий контактор нажатием красной кнопки 0 , в результате чего кон- денсаторы будут заземлены; • красными кнопками 0 отключить устройства SQST1, SQST3, MUT7; • отключить главный контактор и питание цепей управления. 11. В случае возникновения аварийной ситуации можно выключить ГИН нажатием аварийной красной кнопки рядом с замковым выключате- лем. Генератор ГИН-30 , схема которого показана на рис. 3, имеет мак- симальное зарядное напряжение 30 кВ, емкость накопителя C1 50 нФ. kV T1 P1 T2 R1 220 В SB1 V1 SB2 A kV P2 P3 C1 0.05 R3 150 R4 1300 R2 FV1 FV2 C2 2500 Рис. 3 Накопитель ГИН-30 заряжается через ограничительный резистор R1 68 и выпрямитель V1. Повышающий трансформатор Т2 имеет отвод высоко- вольтной обмотки, к которой подключен вольтметр P2, измеряющий вто- ричное напряжение трансформатора. Вольтметр P3 (вместе с резистором R2) позволяет измерять зарядное напряжение. Элементы R3, C2 формиру- ют фронт импульса, а резистор R4 - это разрядный резистор генератора. Основной искровой промежуток FV1 представляет собой два металличе- ских шарика, сближаемых нажатием на изолирующую кнопку. Искровой промежуток FV2 – это измерительный шаровой разрядник с диаметром шаров 20 мм и «подсветкой» радиоактивным источником. Градуировочная кривая этого разрядника для отрицательных грозовых импульсов и посто- янного напряжения при 760 мм рт.ст. и 20°С приведена на рис. 4. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 S, мм U, кВ Рис. 4 Порядок работы на генераторе ГИН-30 следующий. 1. После допуска к работе проверить заземление генератора, провес- ти необходимые подключения в испытательной камере. Дверцы испыта- тельной камеры открываются только при включенном заземлении рабоче- го конденсатора ГИН. 2. Закрыть дверцы камеры и отключить заземление конденсатора. Дверцы камеры при этом блокируются. Проверить установку в нулевое положение автотрансформатора, ручка которого расположена на правой 69 стенке генератора. Включить вилку шнура питания ГИН в сеть. Все даль- нейшие действия проводить, надев диэлектрические перчатки и стоя на диэлектрическом коврике. 3. Переключатель пределов киловольтметра перевести в нужное по- ложение. 4. Включить ключом замковый выключатель SB1. Громко предупре- див окружающих о включении высокого напряжения, включить зеленой кнопкой контактор нормального режима SB2. 5. Ручкой автотрансформатора установить по показанию вольтметра P3 нужное зарядное напряжение. Выше 28 кВ поднимать зарядное напря- жение не рекомендуется. 6. Для запуска генератора нажать кнопку зажигания, сблизив шары основного промежутка ГИН. После пробоя кнопку тотчас отпустить! 7. При измерении импульсного напряжения устанавливают расстоя- ние между шарами измерительного промежутка ГИН по шкале измери- тельного механизма. Методика измерений с помощью шарового разрядни- ка такая же, как и для ГИН-500. 8. Перед выключением генератора ручку автотрансформатора уста- новить в нулевое положение (крайнее при вращении против часовой стрелки), отключить контактор нормального режима красной кнопкой, вы- ключить замковый выключатель и вынуть сетевую вилку из розетки. 3. Задание на измерения 3.1. Работа на генераторе ГИН-500. 3.1.1. При двух заданных зарядных напряжениях измерить коэффи- циент использования ГИН, для чего измерить шаровыми разрядниками амплитуду импульса, контролируя зарядное напряжение по прибору на пульте генератора. Одновременно измеряя напряжение на вольтметре MUT7, присоединенном к делителю напряжения, измерить и коэффициент деления делителя напряжения. Измерения коэффициента деления произве- сти для обоих делителей напряжения. 3.1.2. По значениям параметров элементов схемы ГИН-500 рассчи- тать его коэффициент использования по формуле (2). Принять значение сопротивления резистора R2 формулы равным сумме величин сопротивле- ний R7, R9, R11 и R13 схемы, R1 – величине сопротивления параллельно включенных резисторов R14 и R16. Рассчитать также коэффициенты деле- ния делителей напряжения. Сделать выводы по результатам измерений и расчетов. 3.2. Работа на генераторе ГИН-30. 3.2.1. При двух значениях зарядного напряжения измерить коэффи- циент использования ГИН, измеряя амплитуду импульса шаровым разряд- ником, зарядное напряжение – вольтметром генератора. Рассчитать коэф- 70 фициент использования по формуле (1) и параметрам элементов схемы ге- нератора. 3.2.2. Измерить импульсные пробивные напряжения промежутков стержень-плоскость при двух полярностях стержня и стержень-стержень при трех разных расстояниях между электродами. При измерениях вос- пользоваться найденным значением коэффициента использования генера- тора и величиной зарядного напряжения, измеряемого вольтметром ГИН. По всем измерениям и расчетам сделать выводы. 4. Контрольные вопросы Назовите цели и задачи работы. Что такое стандартная грозовая волна и для чего она нужна? Почему для испытаний оборудования повышенным напряжением недостаточно переменного напряжения? Как получают стандартный грозовой импульс? Поясните устройство и принцип действия ГИН, в том числе многоступенчатого. Что такое зарядное напряжение, суммарное напряжение ГИН, коэф- фициент использования, ударная емкость? Что такое коэффициент деления делителя напряжения? Объясните принцип и методику измерения напряжения шаровыми разрядниками. Объясните схемы генераторов, используемых в работе, принцип дей- ствия, порядок работы на них и правила безопасности при работе на гене- раторах импульсных напряжений. Лабораторная работа № 12 ФРАКТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРОБОЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД Цель работы - изучение развития электрического разряда в диэлек- триках методом компьютерного моделирования. 1. Основные понятия и количественные характеристики Электрический пробой включает в себя различные процессы и зави- сит от многих факторов: вида диэлектрика и его свойств, формы и ампли- туды воздействующего напряжения, материала электродов и их геометрии и т.д. Процесс пробоя можно разделить во времени на три стадии: началь- ная стадия, стадия развития, канальная стадия. Начальная стадия (статистическое время t ст запаздывания развития разряда) – это время ожидания первого эффективного электрона, которое 71 сильно зависит от напряженности электрического поля, свойств диэлек- трика и потенциального барьера на границе электрод-диэлектрик. Стадия развития разряда – это отрезок времени, в течение которого растут проводящие каналы и перекрывают весь промежуток. Длитель- ность стадии формирования канала разряда t ф зависит от соотношения максимальной локальной Е max и средней Е ср =U/d напряженности электри- ческого поля, где U – воздействующее напряжение, d – длина межэлек- тродного промежутка. В резконеоднородных полях, когда коэффициент неоднородности большой k=Е max /Е ср >10 2 , а коэффициент перенапряжения E max /E пр.ст >1 ( E пр.ст – электрическая прочность промежутка на статическом напряжении), длительность начальной стадии t ст мала, и время до пробоя определяется второй стадией. Канальная стадия определяется отрезком времени, в течение кото- рого в промежутке устанавливается дуга, завершающая пробой. Известно, что электрический пробой имеет случайный (стохастиче- ский) характер, и t ст и t ф являются случайными величинами. Структура ка- налов разряда, их расположение в пространстве стохастичны и не повто- ряются от опыта к опыту. Обусловлено это неоднородностями строения диэлектрика и неустойчивостями в развивающихся плазменных каналах. Адекватным языком для описания стохастических структур, подобных развивающемуся каналу разряда, является язык физики фракталов. В работе приведены основные понятия фрактальной геометрии, фрактальная модель пробоя и ее применение для описания развития разря- да – второй стадии пробоя. Основные допущения модели: процессы, ответ- ственные за развитие разряда, определяются только локальной напряжен- ностью поля вблизи разрядных каналов. Компьютерные исследования роста каналов разряда позволяет получить наглядное представление о раз- рядных процессах в диэлектриках. 1.1. Развитие разряда в диэлектриках Всем разрядным явлениям и пробою конденсированных (то есть дос- таточно плотных) диэлектриков в целом присущ эффект полярности: ини- циирование развития разряда происходит легче на аноде (в однородном поле разряд развивается с анода), скорость развития анодных каналов вы- ше, а электрическая прочность диэлектриков в промежутках положитель- ное острие - плоскость ниже, чем в геометрии острийный катод - плоскость при прочих равных условиях. Развитие разрядных каналов в резконеоднородном поле всегда начи- нается у электрода с малым радиусом кривизны. Длительность первой ста- дии пробоя уменьшается с увеличением прикладываемого напряжения U , коэффициентов перенапряжения E max /E пр.ст и неоднородности k=E max /E ср Длительность времени развития разряда и форма разрядных структур так- 72 же зависят от U , коэффициентов перенапряжения и неоднородности поля. Независимо от геометрии промежутка после инициирования разряд всегда развивается в неоднородном поле. Форма разрядной структуры может быть квазилинейной, древовид- ной и кустообразной, а также переходить одна в другую. На развитие раз- ряда сильное влияние оказывает пространственное распределение диэлек- трической проницаемости ε r , проводимости диэлектрика, а также присут- ствие заряженных областей (объемных зарядов) в нем. Развивающаяся раз- рядная структура благодаря изменению распределения поля “чувствует” неоднородности реальных изоляторов, в роли которых могут выступать включения других материалов, специально поставленные барьеры из мате- риала с отличающейся от основного диэлектрика проницаемостью и про- водимостью и тому подобное. Так, например, помещение диэлектрическо- го барьера с более высокой проницаемостью в изоляционный промежуток не только перераспределяет электрическое поле в изоляторе, выравнивая его, но и увеличивает электрическую прочность. Включения с более высо- кой диэлектрической проницаемостью притягивают траектории разрядных каналов. Количественное описание развития разряда без учета стохастичности невозможно. В этой работе используется фрактальная модель роста раз- рядной структуры, в которой уравнения распределения поля, переноса за- ряда решаются с учетом элементов физики фракталов. |