Лабораторная работа № 2
ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Цель работы – изучение характера пробоя твердых диэлектриковразличного типа, изучение зависимости пробивного напряжения от ширины диэлектрического слоя и вида диэлектрика.
Основные понятия и количественные характеристики
У твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:
1. электрический;
2. тепловой;
3. электрохимический.
Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.
Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием. Он протекает за время не более 10-7 – 10-8 с., не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое незначительно зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.
Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.
Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окислов металлов переменной валентности.
При испытании и эксплуатации твердых диэлектриков с высокой электрической прочностью может наблюдаться явление поверхностного пробоя, под которым понимают пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика. По существу в случае поверхностного пробоя электрическая прочность твердого диэлектрика не нарушается, однако образование проводящего канала на поверхности существенно ограничивает рабочие напряжения изолятора.
Значение поверхностного пробивного напряжения во многом определяется конфигурацией электродов, габаритными размерами и формой твердого диэлектрика. Если изолятор эксплуатируется на воздухе, то напряжение поверхностного пробоя зависит от давления, температуры, относительной влажности воздуха, частоты электрического поля. В некоторых конструкциях напряжение поверхностного пробоя может быть даже ниже напряжения пробоя газа в тех же условиях. Одной из причин подобного эффекта является искажение однородности электрического поля, вызываемое перераспределением зарядов в адсорбированной пленке влаги. В результате смещения ионов по поверхности твердого диэлектрика сильно возрастает напряженность поля электродов.
Описание экспериментальной установки
В лабораторной работе используются испытательные установки пе-ременного и постоянного напряжения АИД-70. Установка позволяет получить переменное напряжение до 50 кВ (действующее значение) и до 70 кВ выпрямленного напряжения со скоростью подъема 2% в секунду и с автоматическим отключением при пробоях испытуемого объекта.
Рис.1. Источник испытательного напряжения
Рис.2. Пульт управления
Источник испытательного напряжения включает в себя трансформатор высоковольтный, выключатель высоковольтный, резисторы высоковольтные и выпрямительные столбы, помещенные в бак, заполненный трансформаторным маслом.
Пульт управления содержит: регулятор испытательного напряжения, компенсационный трансформатор, разъемы для подсоединения сетевого кабеля и кабелей источника испытательного напряжения, элементы электрической схемы регулировки, управления и контроля.
Работа на установке:
1. Вставить спец. ключ от аппарата в переключатель пульта управленияи включить необходимый вид испытательного напряжения. При этом должен загораться зеленый сигнал.
2. При работе на выпрямленном напряжении "=" во избежание выхода из строя источника испытательного напряжения, а также для правильного измерения величины испытательного напряжения, строго следить за положением тумблера 16.
3. Вращая ручку 15 регулятора испытательного напряжения против движения часовой стрелки, установить её в исходное положение до упора.
4. Включить испытательное напряжение кнопкой 13. При этом должен загореться красный сигнал.
5. Медленно и плавно вращая ручку 15 регулятора напряжения по направлению часовой стрелки и наблюдая за показаниями киловольтметра, установить необходимую величину испытательного напряжения.
6. При работе на выпрямленном испытательном напряжении измерение тока нагрузки величиной до 1 мА следует производить микроамперметром. При этом следует нажать кнопку 17, шунтирующую этот прибор.
7. После окончания испытания необходимо ручку 15 регулятора напряжения установить в исходное положение до упора, вращая её против движения часовой стрелки.
8. Кнопкой 14 отключить испытательное напряжение и только после этого отключить аппарат спец. ключом, установив его в положение "О", а затем отключить от сети, обеспечив с помощью разъемного соединения видимый разрыв. Контроль за снятием остаточного емкостного заряда с испытуемого объекта необходимо осуществлять, наблюдая за показанием киловольтметра. Стрелка киловольтметра должна стоять на числовой отметке шкалы "О".
9. При испытании выпрямленным напряжением 50 кВ и выше, кабельной линии длиной более 10 км, после окончания испытания и установки ручки 15 регулятора напряжения в исходное положение до упора, остаточный заряд необходимо снимать при помощи разрядной штанги. Затем кнопкой 14 отключить испытательное напряжение и только после этого отключить аппарат от сети спец. ключом.
10. Прежде чем отсоединить высоковольтный кабель от испытуемого объекта необходимо визуально убедиться в том, что замыкатель 2 источника испытательного напряжения касается высоковольтного вывода 1.
Задание на измерения
1. На установке переменного напряжения измерить пробивные напряжения Uпр для слоя бумаги. Число листов определяется электрической прочностью используемого материала и выбирается от 20 до 100. Для нахождения зависимости напряжения пробоя от толщины диэлектрического слоя необходимо найти не менее 5 точек. Для каждой точки следует выполнить по три замера и затем найти среднее напряжение пробоя. Результаты занести в табл. 1.
2. На установке переменного напряжения измерить пробивные напряжения Uпр для слоя лакоткани. Число листов определяется электрической прочностью используемого материала и выбирается от 1 до 5. Для каждого количества листов следует выполнить по три замера и затем найти среднее напряжение пробоя. Результаты занести в табл. 1.
3. По результатам замеров рассчитать электрическую прочность материалов, построить зависимости напряжения пробоя от толщины слоя диэлектрика. Сделать выводы и пояснения к полученным результатам.
Таблица 1
| Вид диэлектрика | Число листов | h, мм | Uпр1, кВ | Uпр2, кВ | Uпр3, кВ | Uпр_ср, кВ | Eпр, кВ/см |
Примечание:
толщина листа бумаги – 0,1 мм;
толщина листа лакоткани 0,2 мм.
Переносная испытательная установка АИД-70
7.7.2. Указания по мерам безопасности.
2.1. Прежде, чем приступить к работе на аппарате, необходимо надежно заземлить источник испытательного напряжения и пульт управления медным гибким проводом сечением не менее 10 мм1, присоединив его к специальным клеммам заземления, установленным на корпусах блоков.
Работа с испытательной установкой при отсутствии специальных клемм заземления и надежного соединения блоков с контуром заземления ЗАПРЕЩАЕТСЯ!
2.2. Запрещается работать на аппарате с неисправнымзамыкателем и световой сигнализацией
2.3. Перед подключением аппарата к сети источник испытательного напряжения должен быть удален от пульта управления на расстояние не менее 3 м.
2.4. В момент включения аппарата в сеть, а также при включенном испытательном напряжении находиться ближе 3 м от источника испытательного напряжения запрещается.
2.5. Перед включением выпрямленного испытательного напряжения необходимо убедиться, что тумблер 16 занимает положение, соответствующее виду нагрузки (X "ХОЛ" или "КАБЕЛЬ").
2.6. После окончания испытания необходимо ручку регулятора 15 испытательного напряжения установить в исходное положение, вращая ее против часовой стрелки до упора.
Кнопкой 14 отключить испытательное напряжение и только после этого отключить аппарат от сети спец. ключом, установив его в положение "0".
Контроль за снятием остаточного емкостного заряда с испытуемого объекта необходимо осуществлять, наблюдая за показанием киловольтметра 9. Стрелка киловольтметра должна стоять на числовой отметке шкалы "0".
2.7. Прежде, чем отсоединить испытуемый объект от источника необходимо визуально убедиться в том, что замыкатель 2 источника касается высоковольтного вывода.
2.8. При неработающем аппарате спец. ключ должен храниться у оператора.
2.9. Работа на аппарате при его стационарном размещении в кузове или фургоне а/м, разрешается только в том случае, если он является частью оборудования передвижной испытательной установки, выполненной с соблюдением всех требований согласно п. 6.13. - 6.21. настоящей инструкции.
7.7.3. Подготовка к работе.
3.1. Заземлить аппарат выносным заземлением - многожильным медным проводом сечением не менее 10 мм1.
3.2. Подключить к высоковольтному выводу 1 высоковольтный провод. Высоковольтный провод, не имеющий экранирующей оболочки, вывешивается на высоте не менее 0,7 м от поверхности земли и надежно закрепляется.
Высоковольтный провод (кабель), имеющий экранирующую оболочку, может располагаться на любом расстоянии от поверхности земли. При этом экранирующая оболочка обязательно должна заземляться.
3.3. Кабель источника испытательного напряжения подсоединить к соответствующим разъемам пульта управления.
3.4. Пульт управления аппарата удалить от источника испытательного напряжения на расстояние не менее 3 м.
3.5. Включение питания аппарата должно производиться через разъемное соединение (вилка - розетка), расположенное рядом с пультом управления.