Определение электрической прочности газообразных

Лабораторная работа № 4
Определение электрической прочности воздуха в однородном
и неоднородном электрическом поле.
Цель работы
- Ознакомится с особенностями пробоя воздуха при различных
формах электродов, в зависимости от полярности электродов и
расстояния между ними;
- Получить опытные значения электрической прочности воздушных
промежутков;
- Проанализировать полученные значения.
Краткие теоретические сведения
В качестве изоляции в различных электрических установках
используются газы. Особенное место среди них занимает воздух. Он
является
естественной
изоляцией
многих
электротехнических
конструкций:
трансформаторов,
конденсаторов,
воздушных
выключателей, линий электропередачи.
Как диэлектрики, воздух имеет следующие положительные
свойства: быстро восстанавливает свою электрическую прочность
после пробоя, отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с
течением
времени,
малые
диэлектрические
потери.
Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются:
невозможность использования его для закрепления деталей
устройств, вследствие чего они применяются в сочетании с твёрдыми
диэлектриками, невысокая электрическая прочность, способность
увлажнятся, образовывать окислы и поддерживать горение, низкая
теплопроводность.
Электрическая прочность воздуха не является величиной
постоянной, а зависит от давления, относительной влажности, формы
электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от
полярности электродов.
Пробоем называется явление, приводящее к длительному или
кратковременному образованию канала с высокой электрической
проводимостью. Значение напряжения, при котором происходит
пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а
соответствующее значение напряженности поля - электрической
прочностью диэлектрика.
Электрическая
прочность
Епр,
определяется
пробивным
напряжением Uпр, отнесённым к толщине диэлектрика в месте пробоя.
Для практических целей удобно выражать пробивное напряжение в
кВ, а толщину диэлектрика - мм, тогда Епр будет в кВ/мм.
Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с
ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо
среде, в частности в газах, возможен только в том случае, когда в ней
имеются свободные заряженные частицы - электроны и ионы. В
нормальном состоянии частицы газа
атомы и молекулы нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока.
Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах
возникают свободные заряды в виде электронов, а также
положительных и отрицательных ионов.
Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с
нейтральными атомами и молекулами газа. Для начала ударной
ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов,
разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации.
Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического
поля, в котором осуществляется пробой
Пробой газа в однородном поле
Однородное поле можно получить между плоскими электродами с
закруглёнными краями, а также между сферами большого диаметра
при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает
практически мгновенно при достижении строго определённого
напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между
электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если
источник напряжения имеет достаточную мощность.
При
малых расстояниях
между
электродами
наблюдается
значительное увеличение электрической прочности. Это явление
можно объяснить трудностью формирования разряда при малом
расстоянии между электродами, так как ударная ионизация
затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных
зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях,
сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение
которого при нормальных барометрических условиях составляет 10-5
см. При нормальных условиях, т.е. при давлении 0.1 МПа и
температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии
между электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм),
при расстоянии между электродами 6 мм - 70 МВ/м.
Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления
газа и толщины слоя газа. С уменьшением же давления газа и
расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается,
но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное
пробивное напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в
пределе 195-520 В. Газы при больших давлениях применяются в
качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в
производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.
Пробой газа в неоднородном поле
Неоднородное поле возникает между двумя остриями, остриём и
плоскостью, между проводами линий электропередачи, между
сферическими
поверхностями
при
расстоянии
между
ними,
превышающими радиус сферы и т.д.
Неоднородность поля приводит к тому, что в некоторых местах
густота силовых линий очень велика, а значит напряженность имеет
повышенное значение и ударная ионизация начинается уже при
напряжениях, меньших, чем характерно для данного промежутка.
Особенностью пробоя газов в неоднородном поле является
возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где
напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим
переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании
напряжения. Корона - это ионизационные процессы в локальной
области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов,
где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они
приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном
диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.
Приборы и оборудование
Для определения электрической прочности воздуха
используется установка высокого напряжения. Структурная
схема установки представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Структурная схема установки высокого напряжения
Основным
блоком
установки
является
повышающий
трансформатор, к вторичной обмотке которого подключаются
испытательные электроды.
На первичную обмотку трансформатора напряжение подается с
регулятора. Блок управления состоянием регулятора позволяет
плавно изменять напряжение на первичной обмотке трансформатора
от нуля до 220 В.
Величина
напряжения,
подаваемая
на
трансформатор,
отображается с помощью измерителя напряжения.
Регулятор напряжения подключается к питающей сети через
схему отключения и защиты. Схема отключения и защиты, на
основании данных от измерительного элемента, размыкает цепь
питания регулятора напряжения, а значит и повышающего
трансформатора
в
момент
пробоя
между
испытательными
электродами.
Включение питания цепей после срабатывания схемы отключения
и защиты осуществляет блок управления состоянием схемы.
Кроме того, данный блок позволяет принудительно вызвать
срабатывание схемы отключения и защиты.
Общее включение установки осуществляет блок включения выключения.
Электрическая принципиальная схема установки
Схема установки представлена на рисунке 3.2. Основной схемы
является повышающий трансформатор Т2, непосредственно к
вторичной
обмотке
которого
подключаются
испытательные
электроды. При напряжении первичной обмотки трансформатора 220
В, выходное напряжение составляет 8 000 В.
На первичную обмотку трансформатора напряжение подается с
электронного
регулятора. Регулирующим элементом являются
транзисторы VT2 и VT3, включенные параллельно; напряжение
изменяется с помощью переменного резистора R16. Т.к. на
регулирующем
транзисторе
рассеивается
достаточно
большая
мощность, транзисторы устанавливаются на радиатор (теплоотвод).
Радиатор дополнительно обдувается вентилятором М1.
После регулятора устанавливаем вольтметр PV1, измеряющий
напряжение первичной обмотки трансформатора Т2.
Сетевое напряжение подается на регулятор через электронный
предохранитель. Отключающим элементом схемы является тиристор
VS1. В момент пробоя между испытательными электродами ток
достигает величины срабатывания предохранителя Iср и тиристор
закрывается, размыкая цепь питания регулятора напряжения, а
значит
и
повышающего
трансформатора.
Восстановление
проводящего состояния предохранителя осуществляется кнопкой SB1.
Общее включение - выключения и дополнительная защита
установки осуществляется с помощью автоматического выключателя
VD1
VD11
VD3
R3
VD13
VT2
VT3
VU1
QF1
VS1
R1
R4
VD4
VD2
HL1
R2
VD14
VD12
C1
~22 0 Â, 50 Ãö
R13
VD6
VD15
R8
SB1
VD5
VS2
R7
T2
R14
PV1
R12
FV
V
VT1
R15
SB2
VD7
C2
C3
VD21
VD20
R5
VD10
C4
VD9
R9
VD8
R6
M1
T1
VD16- VD19
R11
R10
QF1.
Рисунок 3.2 - Схеме электрическая принципиальная установки
Описание схемы установки
Подключение лабораторной установки к сети переменного тока
осуществляется автоматическим выключателем QF1. Наличие сетевого
напряжения сигнализируется индикатором HL1. При этом включается
электродвигатель охлаждения М1 радиатора транзисторов регулятора
напряжения.
Напряжение через выпрямительные диоды VD5, VD6 поступает на
вход оптопары VU1. Выходной ток оптопары открывает тиристор VS1
и переменное напряжение поступает на схему регулятора - загорается
светодиод VD10 красного свечения.
Транзисторы VT2, VT3 открываются током, подаваемым с источника
питания, собранного на элементах Т1, VD16 - VD19, С4, через
потенциометр R15. Положение движка резистора R15 определяет
степень открытия транзисторов VT2, VT3, а значит величину
напряжения подаваемого на первичную обмотку трансформатора Т2.
Уровень напряжения отображается на цифровом вольтметре PV1,
который
показывает
напряжение
с
учетом
коэффициента
трансформации, т.е. в диапазоне 0…8 000 В.
При достижении на испытательных электродах уровня напряжения,
достаточного для пробоя изоляционного промежутка, в цепи потечет
ток. Датчиком тока является проволочный резистор R10. Как только
напряжение на нем возрастет до 1,3 В откроется транзистор VT1 и его
ток коллектора включит тиристор VS2. Нагрузкой этого тиристора
является светодиод оптрона VU1, а также индикатор визуального
контроля срабатывания схемы защиты - светодиод VD9 зеленого
свечения. При этом ток светодиода оптопары недостаточен для
открывания тиристора, что приводит к запиранию VS1 и отключению
регулятора и повышающего трансформатора от питающей сети. Ток
срабатывания
предохранителя
регулируется
изменением
сопротивления резистора R10.
Для принудительного отключения нагрузки и проверки работы
устройства, а также для повторного запуска (включения) устройства
после устранения причин перегрузки служат кнопки SB1 и SB2.
Мероприятия по электробезопасности при
эксплуатации установки
- К работе с установкой допускаются только учащиеся
прошедшие специальное обучение, знакомые с принципом
действия установки, прошедшие инструктаж по технике
безопасности в объеме действующих инструкций.
- Нахождение посторонних лиц в зоне действия установки не
допускается.
- Перед включением напряжения после ремонта установки
или после долгого перерыва в работе, необходимо убедиться в
исправности заземления. Качество заземления проверяется
внешним осмотром и измерением сопротивления между
корпусом зажимом для заземления, находящимся на вводе
установки.
- Подключение оборудования должно производится только
преподавателем или лаборантом.
Правила
техники
безопасности
при
эксплуатации
установки:
- Не прикасайтесь к внутренним и внешним компонентам
установки,
кроме
регулировок
расстояния,
величины
напряжения и кнопок управления.
- Выполнение каких либо действий, обслуживание или
осмотр изделия, должны производиться только после
выключения питания. Убедитесь в том, что индикатор сетевого
напряжения перестал светиться.
- Включение питания производите только после вывода
регулятора напряжения в крайнее левое (нулевое) положение.
- Не производите никаких операций с органами управления
или с переключателями влажными руками. Это может привести
к удару электрическим током.
- Перед выполнением операций проверьте величину
допустимого расстояния между испытательными электродами.
- После включения питания не производите изменение схемы
подключения, не отсоединяйте разъемы. Это может стать
причиной удара электрическим током и повреждения
оборудования.
- Не производите непродуманных изменений параметров
установки.
- Не допускайте попадания внутрь установки посторонних
предметов. Это может привести к возгоранию изделия или
отказам в работе.
Ход работы
Перед включением установки необходимо
выставить регулятор напряжения в крайнее левое положение

Подключение
лабораторной
установки
к
сети
переменного тока напряжением 220 В производится
автоматическим выключателем, размещенным на передней
панели. При этом загорается светодиод красного свечения,
сигнализирующий о наличии напряжения на первичной
обмотка повышающего трансформатора.
 В зависимости от рода исследуемого электрического поля
(однородного
или
неоднородного)
вкручиваем
соответствующий тип верхнего электрода. Установка позволяет
получить соотношение электродов плоскость - плоскость и
плоскость - острие. С помощью регулятора расстояния между
испытательными
электродами
выставляем
необходимый
размер изоляционного промежутка.
 После включения лабораторной установки и выставление
размера изоляционного промежутка с помощью регулятора
напряжения плавно изменяем напряжение, подаваемое на
испытательные электроды. Одновременно контролируем
величину напряжения по цифровому вольтметру.
 В момент пробоя срабатывает электронная защита,
отсекающая напряжение, подаваемое на первичную обмотку
повышающего трансформатора. При этом загорается
светодиод зеленого свечения, сигнализирующий об отсутствии
напряжения
на
первичной
обмотка
повышающего
трансформатора.
Необходимо зафиксировать величину напряжения в момент
пробоя.
 Для повторного исследования необходимо:
1) выставить положение регулятора напряжения в крайнее
левое положение и при необходимости изменить расстояние
между испытательными электродами;
2) нажать кнопку «включение» на передней панели установки,
при этом загорается светодиод красного свечения - установка
готова к работе.
 При отсутствии срабатывания электронной защиты
необходимо отрегулировать сопротивление измерителя тока,
который также выведен на переднюю панель установки.
 При возникновении неконтролируемого пробоя (дугового
разряда) и отсутствии срабатывания электронной защиты
необходимо вручную отключить установку:
- выставить положение регулятора напряжения в крайнее
левое положение;
- нажать кнопку «выключение» на передней панели;
- отключить автоматический выключатель.
Получение экспериментальных данных
1) Получим опытным путём зависимость пробивного
напряжения от длины разрядного промежутка h (изменяя h от
0,8 до 1,8 см) в случае формы электродов игла-плоскость и
плоскость-плоскость.
2) Для каждого значения расстояния между электродами
пробой проводить 2 раза (значения U2' и U2'' В). После каждого
пробоя обязательно выводить регулятор напряжения в нулевое
положение и при необходимости отключать установку
нажатием кнопки ''Выключение''. Опытные данные сведем в
таблицу 3.1
Таблица 3.1 - Опытные и вычисленные данные по исследованию
воздушного промежутка
Форма
электро
дов
плоскос
ть плоскос
ть
острие плоскос
ть
Измеряются
h,
см
1,8
1,5
1,2
1
0,8
1,8
1,5
1,2
1
0,8
U2'',
В
Вычисляются
U2' ,
В
U2 ср ,
В
Епр ,
кВ/см
3) Произвести необходимые вычисления.
Среднее напряжение
определяется по формуле
U2ср, В, при каждом пробое
U2ср = (U2' + U2'')/2
Электрическая прочность Епр определяется по выражению
Епр = U2ср/h
4) Результаты вычислений записать в таблицу 3.1
5) Построить графики зависимостей U2ср = f (h) для форм
электродов плоскость - плоскость и острие - плоскость.
Графики выполнить в одном масштабе на одном листе.
Содержание отчёта
1 Цель работы.
2 Таблицу опытных и вычисленных данных.
3 Графики U2ср = f (h).
4 Выводы.
Контрольные вопросы
1
2
3
4
5
Назовите положительные свойства воздуха как диэлектрика?
Назовите отрицательные свойства воздуха как диэлектрика?
Что называется пробоем?
Что называется электрической прочностью воздуха?
Как связаны между собой пробивное напряжение и
электрическая прочность?
6 Объясните физическую сущность пробоя газообразных
диэлектриков.
7 Какая существует зависимость электрической прочности
воздуха от расстояния между электродами в однородном
поле и почему?
8 Какая существует зависимость электрической прочности
газообразных диэлектриков от плотности?
9 Объясните особенности пробоя газа в однородном поле.
10Объясните особенности пробоя газа в неоднородном поле.
11При какой форме электродов величина электрической
прочности воздуха наибольшая?