Последовательность выполнения работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

По дисциплине: «Техника высоких напряжений»

 

Время _________                                      Место проведения ___________

 

Тема: Исследования электрической прочности воздушных промежутков.

Цель: Экспериментально исследовать зависимости разрядных напряжений в воздухе между электродами различной формы при переменном напряжении.

 

План

Лабораторного занятия №2.

1.Вводная часть                                                         _____мин.

2.Основная часть                                                       _____мин.

а) Ознакомление с электрической схемой лабораторной установки, содержанием работы и правилами техники безопасности при ее проведении                                                                          _____мин.

б) Проведение исследований воздушных промежутков при переменном напряжении промышленной частоты для промежутков: стержень-стержень; стержень-плоскость; конусный стержень-плоскость.

                                                                                   ______мин.

в) Отработать данные измерений по определению зависимости U_пр=ƒ(h)                                                                     ______мин.

г) Рассчитать значения пробивных напряжений U_{пр.расч.} по формулам (3), (4) и (6)                                                                         ______мин.

д) Проанализировать зависимость U_пр=ƒ(h) для промежутков при различных формах электродов. Сравнить опытные и расчетные данные. Сделать выводы.                                                              ______мин.

3.Заключительная часть.                                                    ______мин.

По результатам проведения лабораторной работы студенты должны

 

 

Знать:

1.Основные закономерности возникновения электрических разрядов в воздухе.

2.Как возникают электронные лавины при электрическом разряде в воздухе.

3.Влияние неоднородности электрических полей на величину напряжения пробоя.

4.Основные формулы (выражения) определяющие начальные и пробивные напряжения в воздухе в зависимости от геометрических форм электродов.

Уметь:

1.Разбираться в принципиальной схеме установки высокого напряжения с испытательным трансформатором ИОМ 75/35.

2.Выполнять требования ТБ при проведении исследований.

3.Готовить и проводить исследования по заданию к лабораторной работе.

4.Обрабатывать результаты экспериментов и делать выводы по вопросам влияния формы электродов на величину пробивных напряжений.

 

Литература:

1.Техника высоких напряжений: Лабораторный практикум (под ред. М.Е. Иерусалимова)-К.: Вища школа, главное издательство, 1987 –216с.

2.М.Е.Иерусалимов, Орлов Н.Н.. Техника высоких напряжений. – К.: Вища школа изд-во Киев ун-та, 1967 –441с.

 

Теоретические положения

В качестве изоляции между проводами, проводами и опорами воздушных линий электропередачи, внешней изоляции трансформаторов и электрических аппаратов широко используются воздушные промежутки. Знание основных закономерностей возникновения электрических разрядов в воздухе, учет влияния различных факторов на электрическую прочность воздушных промежутков позволяют определять ее величину при проектировании высоковольтного оборудования и высоковольтных конструкций.

Явление электрического пробоя в газах объясняется на основе физических представлений об образовании и развитии электронных лавин в процессе ионизации атомов или молекул газа электронами в электрическом поле. Интенсивность процесса ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации α, который определяется как число ионизации, совершаемых одним электроном на пути в 1см вдоль силовых линий электрического поля.

В воздухе, как и в других электроотрицательных газах, основным процессом, препятствующим развитию ударной ионизации, является прилипание электронов к нейтральным частицам с образованием отрицательных ионов. Характеристикой этого процесса является коэффициент прилипания η, зависящий от соотношения Е/р и вида газа и определяемый из экспериментальных данных.

С учетом процессов потерь электронов развитие ударной ионизации в электроотрицательных газах описывается с помощью эффективного коэффициента ударной ионизации

α _эф=α-η.

Для возникновения электрического разряда в газе необходимо, чтобы в межэлектродном промежутке появился хотя бы один электрон в результате действия естественных ионизаторов. В этом случае в сильных электрических полях соударение электрона с нейтральной частицей вызывает ударную ионизацию – образуются два свободных электрона, каждый из которых совершает новые акты ионизации, т.е. возникает лавина электронов. Количество электронов в лавине

,

где n₀ – число начальных электронов; х – путь, пройденный лавиной вдоль силовых линий электрического поля.

Возникновение электронной лавины сопровождается образованием положительных ионов и фотонов, которые, взаимодействуя с поверхностью катода, вызывают появление вторичных электронов, эмитируемых катодом. Такой разряд будет поддерживаться самостоятельно без участия внешних ионизаторов, если положительные ионы и развивающаяся в межэлектродном промежутке лавина своим излучением будут вызывать появление не менее одного нового электрона, который, в свою очередь, будет создавать новую лавину с не меньшим числом электронов.

При повышенном давлении газа разряд развивается в виде канала-стримера. Величина напряжения, при котором в межэлектродном промежутке выполняется условие самостоятельности разряда, называется начальным напряжением U₀. В неоднородных электрических полях полному электрическому пробою промежутка предшествует возникновение короны – одного из видов самостоятельного разряда. Поэтому в неоднородных полях начальное напряжение соответствует напряжению возникновения короны, а в однородных – электрическому пробою. 

Начальные и пробивные напряжения (в киловольтах максимальных) для простейших геометрических форм электродов можно определить из эмпирических выражений.

Параллельные плоские электроды:

,

где δ=рТ₀/р₀Т – относительная плотность воздуха; р₀, Т₀ – соответственно давление и температура воздуха при нормальных условиях (р₀=101300 Па, Т₀=293 К); р, Т – соответственно давление и температура воздуха в условиях экcперимента; d –расстояние между электродами, см.

Сфера-сфера:

,

где f- геометрический фактор; r- радиус сферы.

При симметрично включенном напряжении

.

Если одна из сфер заземлена, величина  f определяется из таблицы.

 

Таблица.

d/r	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,5	2,0
f	1,03	1,07	1,1	1,15	1,2	1,25	1,31	1,38	1,45	1,52	1,01	2,34

 

При условии d/r <<2 формула  дает величину пробивного напряжения промежутка, при d/r >2 – напряжения начала короны.

 

Коаксиальные цилиндры:

,

где r₀, R – соответственно радиусы внутреннего и наружного цилиндров.

Формула  дает значение пробивного напряжения промежутка при R/r₀<2,718 и начального напряжения – при R/r₀>2,718. Из анализа выражения  следует, что величина U₀ имеет экстремум при R/r₀ =2,718.

В резко неоднородных несимметричных электрических полях (стержень-плоскость, коаксиальные цилиндры при R>>r₀) при воздействии выпрямленного напряжения величина пробивного напряжения воздушного промежутка зависит от полярности электрода с меньшим радиусом кривизны (эффект полярности). При этом напряжение возникновения короны меньше при отрицательной полярности, а пробивное напряжение – при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны. Объяснение этого эффекта связывается с существенным влиянием поля объемного положительного заряда ионов у катода на распределение напряженности электрического поля в промежутке.

При отрицательной полярности электрода величина напряженности электрического поля у его поверхности увеличивается за счет влияния положительного объемного заряда ионов и уменьшается в глубине промежутка. Это облегчает появление короны у поверхности электрода, но затрудняет процесс прорастания разряда в глубь промежутка (в область слабого поля). При положительной полярности наблюдается обратная картина: что затрудняет появление короны, а в глубине промежутка усиливается – пробивное напряжение понижается.

Располагая в межэлектродном промежутке диэлектрический барьер, можно повысить электрическую прочность воздушного промежутка при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны. При этом существует оптимальное положение барьера в межэлектродном промежутке, при котором достигается наибольшая электрическая прочность. Барьерный эффект объясняется выравниванием электрического поля между барьером, на котором оседают положительные ионы, двигающиеся вдоль силовых линий электрического поля, и электродом с большим радиусом кривизны. При этом повышение пробивного напряжения промежутка может происходить при незначительной собственной электрической прочности диэлектрического барьера. На величину пробивного напряжения воздушного промежутка оказывает влияние влажность воздуха. Повышение абсолютной влажности приводит к некоторому повышению электрической прочности воздушных промежутков за счет уменьшения коэффициента ударной ионизации электронами в результате их прилипания к электроотрицательным молекулам водяного пара. Приведение экспериментальных значений U₀ к условиям нормальной относительной влажности воздуха (63%) при Т=293 К производится с помощью поправочного коэффициента k, определяемого из выражения

U_0н= U₀k,

где U_0н – разрядное напряжение при нормальных условиях. График определения коэффициента k приведен в ГОСТ 1516.2-76.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке. Источником высокого напряжения промышленной частоты является испытательный трансформатор Т1 типа ИОМ-70/30. Обмотка υ специально предназначена для измерения высокого выходного напряжения трансформатора вольтметром, шкала которого градуирована в киловольтах. Если испытательный трансформатор ИОМ не имеет специальной обмотки для измерения высокого напряжения, то его можно измерить с помощью электростатического киловольтметра С-96, подключаемого к обмотке ВН, или по показаниям вольтметра р V1 и коэффициенту трансформации трансформатора ИОМ. Следует помнить, что при измерениях получают действующие значения напряжения. Для получения амплитудных значений (при испытании на выпрямленном напряжении) или при сопоставлении с расчетными значениями опытные данные умножаются на .

Включение установки производится с помощью рубильника видимого разрыва QS1, автомата SF1 и контактора КМ. В цепи питания электромагнита контактора включены блок- контакты двери, ведущей на испытательное поле. Доступ к электродам, расположенным на испытательном поле, возможен только при полностью отключенной установке и наложении переносного заземлителя на вывод обмотки ВН трансформатора Т1.

Электроды различной формы укрепляются на изолирующей конструкции. Резисторы R1, R2 ограничивают ток разряда, защищая трансформатор и выпрямитель от токовых перегрузок. В момент пробоя автоматический выключатель SF2 отключает установку. Пробивное напряжение фиксируетсявольтметром р V2. При неизменном расстоянии между электродами опыт повторяется пять раз для определения среднего значения пробивного напряжения. Затем изменяется расстояние между электродами и опыт повторяется. Данные измерений пробивных напряжений заносят в таблицу.

Таблица

d, см	Uпр, кВд					Епр.ср.= , кВ/см	Uрасч, кВмакс	σ
	U1	U2	U3	U4	U5

Последовательность выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой установки, расположением ее элементов, порядком проведения работы, правилами безопасности при работе на установке.

2. Исследователь электрическую прочность воздушных промежутков при переменном напряжении промышленной частоты для промежутков: а) плоскость-конус; б)сфера-сфера; в)стержень-стержень; г)стержень-плоскость.

3. Исследовать электрическую прочность воздушных промежутков сфера-сфера и плоскость-плоскость при переменном напряжении. Снять зависимость U_пр=ƒ(d) для промежутка стержень-плоскость.

4. Рассчитать значения пробивных напряжений U_расч по формулам и построить графические зависимости для промежутков стержень-плоскость и сфера-сфера по опытным и расчетным данным. Определить средние арифметические значения средней пробивной напряженности электрического поля промежутка Е_{пр ср} и полученные результаты занести в таблицу. Определить среднюю квадратическую ошибку измерений σ и величину доверительного интервала измерений β для каждого исследуемого промежутка, пользуясь приложением П1.

5.Проанализировать зависимости U_пр=ƒ(d) для промежутков различной формы. Сравнить опытные и расчетные данные.

 

Контрольные вопросы

1. В чем состоят особенности электрического разряда в неоднородных полях и чем они обусловлены?

2. Что означают понятия начального напряжения и напряжения полного разряда?

3. В чем состоит физический смысл уравнения самостоятельности разряда?

4. Почему электрическая прочность электроположительных и электроотрицательных газов различна? В каком случае она выше?

5. Почему электрическая прочность воздушных промежутков с резко неоднородным полем зависит от полярности электрода с малым радиусом кривизны?

6. Чем объяснить различие электрической прочности воздушных изоляционных промежутков при различных формах электродов?