Методические указания по ЭТМ нов для 2020-2021 у г. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Электротехнические материалы для студентов направления
 Скачать 1.28 Mb.
|
|
Контрольные вопросы 1.В чем заключается сущность процесса ударной ионизации в газах? Какие есть стадии развития электрического пробоя? 2. Как зависит величина Uпр и Епр от расстояния между электродами? 3. Как влияет форма электродов на электрическую прочность воздуха? 4. Объяснить механизм эффекта полярности при различных полярностях на электродах типа шар-игла. 5. Что такое искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды? 6. Какие условия перехода разряда из несамостоятельного в самостоятельный? 7. Как влияет частота электрического поля между электродами на электрическую прочность воздуха? 8. Как влияет на электрическую прочность воздуха влажность? 9. Объясните зависимость пробивного напряжения воздуха от давления и расстояния между электродами. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Целью работы является ознакомление с некоторыми характеристиками жидких диэлектриков, методами их измерения и изучение приборов и аппаратов, применяемых для контроля качества жидких диэлектриков. Краткие теоретические сведения Назначение жидких диэлектриков в большинстве электрических аппаратов двояко: во-первых, масло значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, они (например, в трансформаторах), выполняют дополнительную функцию, являясь охлаждающим агентом и обеспечивая отвод теплоты, выделяющейся внутри работающего электрооборудования. В высоковольтных масляных выключателях жидкий диэлектрик (трансформаторное масло) выполняет функции дугогасящей среды. Пропитка пористых и волокнистых материалов жидкими диэлектриками способствует увеличению электрической прочности и теплопроводности изоляции. Часто отказы электрооборудования сопровождаются искрением, дугообразованием, которые могут воспламенить жидкость, газообразные продукты ее испарения или разложения. Важно, чтобы диэлектрическая жидкость, ее пары или газообразные продукты разложения не воспламенялись при отказе электрооборудования. Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени Нормирование температуры вспышки связано необходимостью исключить возможность взрыва нагретой смеси паров и продуктов разложения масла. Снижение температуры вспышки косвенно указывает на далеко зашедший процесс разложения масла и появление в нем легких углеродных фракций. Жидкие диэлектрики можно классифицировать по различным признакам. I. По химической природе: а) нефтяные масла; б) синтетические жидкости (хлорированные и фторированные углеводороды, кремний фторорганические жидкости). II. По специфике применения для: а) трансформаторов; б) выключателей; в) конденсаторов; г) систем циркуляционного охлаждения и изоляции установок высокого напряжения. III. По верхнему пределу допустимой рабочей температуры: а) до 70°С (нефтяные масла в конденсаторов ); до 95°С (нефтяные масла в трансформаторах, хлорированные углеводороды в конденсаторах); в) до 135°С (некоторые синтетические и хлорированные углеводороды); г) до 200°С (некоторые типы фтор углеродов; хлор фторорганосилоксаны); д) до 250.°С IV. По степени горючести: а) горючие, б) негорючие Конкретные требования к жидкому диэлектрику определяются конструкцией и условиями работы электрооборудования, в котором он применяется, степенью экологической опасности. К общим требованиям можно отнести: 1) высокая электрическая прочность; 2) высокое р ; 3) низкий tgα; 4) высокая стабильность в условиях эксплуатации, хранения и технологической обработки; 5)высокая стойкость к воздействию электрического и теплового полей; 6) высокая стойкость против окисления; 7) определенное значение ε г с учетом особенностей электроизоляционной конструкции; 8) совместимость с применяемыми материалами; 9) пожаробезопасность; 10) экономичность; 11) экологическая безопасность; 12) низкая вязкость в диапазоне рабочих температур. Ни один жидкий диэлектрик не соответствует всем этим требованиям одновременно. Приходится ориентироваться на важнейшие для конкретного случая применения требования, компенсируя отдельные недостатки ограничениями в условиях эксплуатации, либо внося соответствующие изменения в конструкцию электрооборудования. Например, обеспечение экологической безопасности привело сначала к снижению степени хлорирования углеводородов и соответственному увеличению пожаробезопасности, а затем к почти повсеместному запрещению производства и применения полихлорированных дифенилов (ПХД). Практически все существующие их заменители горючи. Этот недостаток удалось в значительной степени компенсировать пересмотром конструкции корпуса электрооборудования в сторону снижения вероятности опасного его повреждения в аварийной ситуации. Однако до сего времени в эксплуатации все еще находится большое количество электрооборудования, содержащего экологически опасные ПХД. Эксплуатация такого электрооборудования требует строгого соблюдения специальных инструкций. Принимаются меры к постепенной замене ПХД в трансформаторах экологически безопасными жидкостями, оборудование уничтожается. Среди жидких диэлектриков наиболее распространены нефтяные масла: трансформаторное, конденсаторное, кабельное. Нефтяное масло является одной из фракций продуктов перегонки нефти и представляет смесь жидких углеводородов предельного ряда: метановых СН 2п +2, нафтеновых С п Н 2п и ароматических. В зависимости от месторождения нефти в масле могут преобладать жидкие углеводороды нафтенового или ароматического типа. Нефтяные масла с большим содержанием нафтенов используются для получения трансформаторного масла, так как более стойки к окислению. Масла с преобладанием ароматических соединений более стойки к действию электрического поля, поэтому применяются для пропитки силовых кабелей из заливки бумажных конденсаторов. Свойства трансформаторного масла в значительной степени зависят от примесей. Инородные волокон твердой изоляции, частицы копоти от искровых разрядов, растворенные в масле газы и снижают электрические характеристики масла. Например, электрическая прочность трансформаторного масла сильно зависит от наличия в нем влаги, газов и механических примесей органического или Влага может попадать в масло либо непосредственно из атмосферы, либо в результате ее конденсации на стенках резервуара при резких колебаниях окружающей температуры, либо из пропитываемой маслом (находящейся в масле) твердой изоляции (бумага, картон, дерево и т.п.). При повышенных температурах растворимость воды в масле увеличивается, поэтому вполне возможно, что при последующем охлаждении масла в нем появятся мельчайшие капельки выделившейся воды, образуя водомасляную эмульсию. Сферические вкрапления воды, втягиваясь в зоны с высокой напряженностью электрического поля, растягиваются в тонкие нити, пролегающие вдоль силовых линий поля в изоляционном промежутке, способствуя возникновению электрического пробоя. Наличие в масле даже небольших количеств влаги приводит к заметному понижению его электрической прочности. При непосредственном контакте с воздушной средой газ может растворяться в масле. Количество растворенного газа пропорционально объему масла и его температуре, а также давлению газа. В результате электрических разрядов в масле может произойти выделение газа либо, наоборот, его поглощение в зависимости от содержания ароматических углеводородов в масле. Кроме того, выделение газа из масла может происходить при вибрации конструктивных элементов аппаратов высокого напряжения, находящихся в масле. Напряженность электрического поля в газовом пузырьке, погруженном в масло с диэлектрической проницаемостью ε, приблизительно в ε раз выше напряженности поля в окружающем масле. Если напряженность электрического поля внутри газового пузырька окажется выше разрядного градиента данного газа, то внутри этого пузырька произойдет электрический разряд, который вызовет газообразование из-за разложения окружающего масла дугой. Разряд такого рода называется разрядом, так как при этом происходит пробой только газового пузырька, а не всего изоляционного промежутка между электродами. Однако при определенных обстоятельствах этот процесс может принять лавинообразный характер и привести к полному разряду в изоляционном промежутке. Частицы органического происхождения, например, волокна целлюлозы, заметно влияют на электрическую прочность масла, особенно если в нем имеется влага. Большинство волокон, попавших в масло, поляризуется, образуя электрические диполи, которые, втягиваясь в зоны с максимальной напряженностью электрического поля, образуют своеобразные мостики. При достаточно высокой напряженности вдоль этих мостиков могут возникать частичные разряды. В тех случаях, когда относительная диэлектрическая проницаемость твердой частицы, находящейся в масле, больше ε масла, возникают силы, которые стремятся переместить частицу в зону с максимальной напряженностью электрического поля. Таким образом, в промежутке между электродами могут возникнуть проводящие мостики из подобных частиц. Рис.1. Принципиальная схема испытательной установки типа АИИ – 70: 1 – дверные блок – контакты; 2 – регулятор напряжения; 3 – автоматический выключатель; 4 – высоковольтный трансформатор; 5 – защитное сопротивление; 6 – сосуд с электродами для испытания жидкого диэлектрика Давление, под которым находится масло, существенно сказывается на его электрической прочности. Объясняется это тем, что при значительном повышении давления происходит сильное сжатие газовых пузырьков, находящихся в масле, и тем самым увеличивается растворимость газа в масле, кроме того, при увеличении давления увеличивается электрическая прочность газов. На зависимость электрической прочности масла от давления определенное влияние оказывает и первоначальное количество газа, находящегося в данном объеме масла. Поэтому увеличение электрической прочности сухого и хорошо очищенного масла с повышением давления значительно меньше, чем у масла, не подвергающегося подобной обработке. В эксплуатации трансформаторное масло окисляется (стареет), что приводит к увеличению его и величине диэлектрических потерь. Железо, медь, свинец, повышенная температура, воздействие электрических и солнечных лучей играют роль катализаторов процесса старения масла. Плотность трансформаторного масла влияет на скорость осаждения взвешенных в нем посторонних примесей. Чем ниже плотность масла, тем быстрее осаждаются примеси. Вязкость масла имеет весьма важное значение для правильной работы маслонаполненных аппаратов. Увеличение вязкости масла в трансформаторах приводит к перегреву последних, а повышение вязкости масла в выключателях создает опасность затяжного горения дуги и взрыва выключателя. Материальное обеспечение Аппарат АИИ-70 предназначен для определения электрической прочности трансформаторного масла и других жидких диэлектриков. Упрощенная схема аппарата представлена на рис. 1. Аппарат выполнен в виде колонки, внутри которой расположен высоковольтный трансформатор 0,1/50 кВ. Измерение напряжения пробоя производится вольтметром, включенным в первичную обмотку высоковольтного трансформатора. Шкала вольтметра отградуирована в кВ вторичного напряжения. В аппарате имеется сосуд с электродами - стандартный разрядник, в который заливается испытуемое трансформаторное масло. Стандартный разрядник крепится на выводах трансформатора и представляет собой фарфоровый сосуд емкостью 500 см 3 с закрепленными в стенках металлическими электродами. В качестве электродов используются полусферы диаметром 2,5 см. Расстояние между электродами 2,5 мм. Оно проверяется с помощью калибра, прилагаемого к аппарату. Для заземления аппарата предусмотрен зажим с гайкой, расположенный на задней стенке аппарата (внизу). Прибор Мартенс-Пенского состоит из металлического сосуда с крышкой, имеющей две части - нижнюю неподвижную и верхнюю, которую можно поворачивать на некоторый угол. На крышке прибора имеется устройство, посредством которого осуществляется поворот подвижной части крышки. Одновременно к открывающейся поверхности жидкости наклоняется горелка, длина пламени которой устанавливается в 3 мм. В неподвижной части крышки - приспособление для крепления термометра, а в центре ее проходит стержень мешалки. Последняя имеет две пары лопастей: нижняя находится в самой жидкости, верхняя - над ней, т.е. в смеси паров жидкости с воздухом. Весь прибор помещен в баню, подогреваемую нагревательным элементом Лабораторное задание 1. Снять показания киловольтметра аппарата АИИ-70, проделав по 3 опыта с различными расстояниями между электродами (1,0; 1,5; 2,5 мм) 2.Определить электрическую прочность трансформаторного масла: Епр=U пр /d, где d - расстояние между электродами. 3. Полученные опытным и расчетным путями данные свести в таблицу: Наименование исследуемых величин Расстояние между электродами d 1 = мм, d 2 = мм, d 3 = мм, 1 2 3 1 2 3 1 2 3 U, кВ E пр , кВ/м 4. Определить температуру вспышки. Порядок выполнения работы 1. При определении электрической прочности трансформаторного масла необходимо соблюдать следующую последовательность операций. При выключенном рубильнике на стенном щитке изучить устройство аппарата АИИ-70 и схему его электрических соединений. Работа ведется при напряжениях, безусловно опасных для жизни, и в этой связи требуется строгое выполнение правил по ТБ. Промыть стандартный разрядник сухим чистым маслом. Подготовить пробу трансформаторного масла для испытания. Пробу испытуемого масла перед заливкой не встряхивать во избежание образования пузырьков воздуха. Слить немного масла, чтобы обмыть края сосуда, в котором содержится проба, а затем трижды ополоснуть электроды испытуемым маслом. Залить в стандартный разрядник испытуемое масло на уровень не менее 15 мм выше электродов. Установить разрядник с маслом в аппарат на стойки, соединенные с высоковольтными выводами. Дать маслу отстояться в течение 10 мин для того, чтобы из него вышли пузырьки воздуха, после чего включить аппарат в сеть и производить испытание согласно инструкции, которая прилагается к работе. Всего для каждого образца масла следует произвести 6 пробоев с выдержкой 5 мин после каждого пробоя. За пробивное напряжение масла принимают среднее арифметическое значение 5 последних пробоев (напряжение 1-го пробоя в расчет не принимается). 2. Определение температуры вспышки. В сосуд прибора Мартенс-Пенского наливают до соответствующей отметки (риски) подлежащее испытанию масло, устанавливают крышку со всеми приспособлениями и начинают нагревать, причем масло и воздух над ним перемешиваются мешалкой. Скорость нагрева жидкости должна быть равной 2°С в минуту. Проверяют фитилек горелки, наличие масла в нем и длину пламени. Подогрев масла ведут до температуры 130°С, не зажигая горелки. После 130°С проверяют вспышку паров через каждые 2°С, для чего прекращают перемешивание, и поворотом горелки приводят крышку в движение, а к поверхности масла подводят пламя горелки. Отмечают температуру, при которой произойдет вспышка паров. При остывании масла также фиксируют температуру вспышки паров. Содержание отчета 1. Результаты испытаний - температура вспышки трансформаторного масла и электрическая прочность. 2. Схема электрических соединений АИИ-70. 3. Сопоставление полученных результатов с литературными данными. 4. Заключение о том, удовлетворяют ли полученные значение Епр и температура вспышки нормам ГОСТа и ПТЭ. Контрольные вопросы 1.Что называется пробоем, пробивным напряжением и электрической прочностью диэлектрика? 2.Классификация жидких диэлектриков. 3.Требования к жидким диэлектрикам. 4.Опишите кратко технологию получения трансформаторного масла. 5.Почему нормируют плотность, вязкость и температуру вспышки трансформаторного масла? 6. Как осуществляется регенерация трансформаторного масла? 7. Как производится отбор проб трансформаторного масла для испытания? 8. Какие факторы влияют на величину электрической прочности трансформаторного масла? 9.Что такое старение трансформаторного масла и каким образом можно замедлить этот процесс? 10. Какие электрические свойства и характеристики жидкого диэлектрика являются наиболее важными и почему? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Целью работы является изучение зависимости электрической прочности на переменном напряжении непропитанного и пропитанного электротехнического картона от числа слоев. Краткие теоретические сведения При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр, а соответствующее ему значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Е пр Для равномерного электрического поля электрическая прочность диэлектрика определяется по формуле Е пр = U пр /h, где h - толщина диэлектрика в месте пробоя, м. Электрическая прочность является одной из основных характеристик электроизоляционного материала. Ею широко пользуются при расчетах и конструировании электрической изоляции машин, трансформаторов, кабелей, конденсаторов и других высоковольтных устройств, а также для оценки их надежности и долговечности. Различают четыре основных вида пробоя диэлектриков: 1. Электрический пробой; 2. Тепловой пробой; 3. Электрохимический пробой; 4. Ионизационный пробой. Электрический пробой. Этот вид пробоя представляет собой непосредственное разрушение диэлектрика силами электрического поля. Вторичные процессы (нагрев, химические реакции и т.п.), которые могут происходить в диэлектрике под действием электрического поля и облегчать развитие пробоя, при чисто электрическом пробое не имеют место. Электрический пробой обуславливается ударной ионизацией молекул диэлектрика вследствие взаимодействия с частицами диэлектрика ускоренных электрическим полем свободных заряженных частиц (электронов, ионов). Характерен для газообразных, жидких и твердых диэлектриков. Для электрического пробоя характерны: 1) малое время развития пробоя; 2) малая зависимость электрической прочности от частоты приложенного напряжения; 3) малая зависимость электрической прочности от температуры; 4) сравнительно мало выраженная (при равномерном электрическом поле) зависимость электрической прочности от размеров диэлектрика и электродов. Тепловой пробой. Имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков, больших диэлектрических потерях, при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава, отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в таких каналах будет выделяться значительное количество теплоты. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления на данных участках диэлектрика. Процесс нарастания теплоты будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по ослабленному месту вдоль всей его толщины. Характерные признаки теплового пробоя твердых диэлектриков: I. Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода диэлектрика. 2. Величина пробивного напряжения диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды. 3. Величина пробивного напряжения снижается с увеличением длительности приложенного напряжения. 4. Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика. 5. Электрическая прочность диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного напряжения. Электрохимический пробой. Развивается медленно и обуславливается химическими изменениями структуры диэлектрика под действием приложенного к нему электрического напряжения (электролиз в диэлектрике, влияние озона при возникновении короны в воздухе вблизи поверхности диэлектрика и т.п.). Ионизационный пробой. Весьма важен в технике высоковольтных кабелей и конденсаторов с непропитанной бумажной изоляцией. Является следствием развития процесса ионизации (коронного разряда) в воздушных включениях внутри изоляции. При ионизации, помимо выделения тепла и образования озона, в воздушных включениях образуются также свободные электроны, производящие под действием электрического поля бомбардировку слоев изоляции, прилегающих к включениям. Все это приводит к существенному снижению величины электрической прочности диэлектрика в итоге, электрическая прочность непропитанной бумаги из-за значительного количества воздушных включений при 50 Гц составляет небольшое значение, равное 10-20 кВ/мм. Заполнение воздушных включений в бумаге минеральным маслом, обладающим значительно более высокой электрической прочностью, чем воздух, существенно повышает ее электрическую прочность. В процессе пропитки происходит не только простое заполнение пор и объемов между волокнами бумаги, но и всасывание масла в капилляры волокон. Электрическая прочность пористого твердого диэлектрика может быть существенно увеличена и другим способом - повышением давления газа в порах или же заменой воздуха на газ с повышенной электрической прочностью. |