Схема установки. Методика проведения измерений
Лабораторная установка состоит из высоковольтного испытательного трансформатора ВТ, к вторичной обмотке которого посредством нижнего заземленного (НЭ) и верхнего (ВЭ) электродов через водяной резистор R, ограничивающий ток при пробое, подключается испытуемый образец ИО. При определении электрической прочности на постоянном токе в цепь вторичной обмотки ВТ включается высоковольтный диод VD и сглаживающий пульсации напряжения высоковольтный конденсатор C. Трансформатор ВТ, образец ИО и токоведущие части установки, которые во время испытания находятся под высоким потенциалом, размещены в помещении, защищенном заземленным металлическим ограждением. На двери ограждения смонтирован контакт ДК, который при открывании двери отключает установку от сети. Включение установки и проведение испытаний возможно только при закрытой двери ограждения. Если дверь закрыта, то при включении щитового выключателя ВЩ загорается сигнальная лампа СЛ1, подсвечивая надпись "УСТАНОВКА ВКЛЮЧЕНА". Одновременно подается напряжение на устройство управления СУ электродвигателя, являющегося приводом подвижных контактов автотрансформатора АТ. При замыкании кнопки «Пуск» магнитного пускателя на его обмотку ОП подается напряжение; контакты КП и блокирующие кнопку Пуск вспомогательные контакты ВК пускателя замыкаются, автотрансформатор АТ включается в сеть, загорается сигнальная лампа СЛ2 и на пульте высвечивается красный сигнал "ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДАНО". Замыканием кнопки К включают питание высоковольтного трансформатора ВТ и двигателя ЭД. Напряжение на испытуемом образце ИО автоматически плавно увеличивается со скоростью 500 В/с. В момент пробоя контакты К реле максимального тока ОР размыкаются, питание первичной обмотки высоковольтного трансформатора ВТ отключается, а двигатель ЭД автоматически возвращает подвижные контакты трансформатора АТ в нулевое (начальное) положение, обмотка ОР обесточивается и контакты КР замыкаются. Подача напряжения на образец ИО прерывается, если отжать кнопку К, или нажать кнопку «Стоп» пускателя, или открыть дверь ограждения.
Различия между электрической и тепловой формой пробоя. Причины электрической и тепловой форм пробоя. Факторы, влияющие на тепловую и электрическую формы пробоя
Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10^-5 – 10^-8 с.
Епр при электрическом пробое зависит главным образом:
• от внутреннего строения диэлектрика;
и практически не зависит:
• от температуры;
• частоты приложенного напряжения;
• геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10-4 - 10-5 см. По сравнению с воздухом, у которого Епр при нормальных условиях около 3 МВ/м, наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 102 - 103 МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 102 МВ/м.
Тепловой пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) - Q1 становится больше отводимой теплоты – Q2 (теплоотдачи в окружающую среду).
В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.
Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, имеющего вид плоскопараллельной пластины, то приближенное выражение для анализа Uпр на переменном токе можно получить, используя выражение для рассеиваемой мощности
где U - напряжение, приложенное к электродам образца диэлектрика;
ω=2π f − угловая частота,
f − частота приложенного напряжения;
C − электрическая емкость образца;
tgδ − тангенс угла диэлектрических потерь.
Полагая, что преобладающими потерями в диэлектрике будут потери, обусловленные проводимостью, можно принять для tgδ экспоненциальную зависимость от температуры.
где α и tgδ0 − постоянные, зависящие от природы диэлектрика;
T0 − температура окружающей cреды (электродов);
T − температура диэлектрика, нагретого за счет диэлектрических потерь.
Теплоотдачу диэлектрика через электроды можно найти, используя формулу Ньютона:
где σ − суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду,
S− площадь электрода.
Рисунок 1Соотношения между выделяемой Q1 и отводимой Q2 мощностями
для различных напряжений U1, U2 и U3.
Из графического представления температурных зависимостей Q1 и Q2, видно, что устойчивое тепловое равновесие будет при U1 и T1, когда равны тепловыделение и теплоотдача. В других случаях, показанных на приведенном ниже рисунке, наблюдается состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого из-за прогрессивного разогрева диэлектрика наступит тепловой пробой.
Из условия теплового равновесия получим формулу для качественной оценки теплового пробоя диэлектрика:
где Ткр соответствует температурам Т2 и Т3.
Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2-10^-3 с при Епр около 10 МВ/м.
Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача.
Епр при тепловом пробое уменьшается:
• при увеличении температуры;
• при увеличении времени выдержки образца под напряжением;
• при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (Uпр с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно)