При напряжении промышленной частоты

В зависимости от формы электродов.

Цель работы: целью настоящей работы является исследование разрядного напряжения воздушных промежутков при напряжении промышленной частоты в зависимости от формы электродов и сравнение результатов опыта с расчетами по эмпирическими формулами.

Программа работы

В процессе выполнения работы необходимо: ознакомится с теоретическими предпосылками, т.е. ознакомиться с особенностями формирования пробоя при напряжении промышленной частоты. Установить опытным путем зависимость пробивного напряжения промышленной частоты от длины разрядного промежутка для электродов типа:

а) плоскость-плоскость;

б) игла-игла;

в) игла-плоскость.

Провести необходимые расчеты, заполнить таблицу и построить графики. Оформить работу и получить зачет по ней.

Теоретические предпосылки

Воздух является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи. Как диэлектрик воздух имеет следующие положительные свойства: быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя, незначительно изменяет диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери его очень мало. Отрицательные свойства воздуха как диэлектрика–низкая теплопроводность, низкая электрическая прочность, способность увлажняться, образовывать окислы, поддерживать горение.

В слаботочной электротехнике важным газообразным электроизоляционным материалом является вакуум.

Остальные газы используются только для специальных целей. Из распространенных газов это, прежде всего. водород, который в 16 раз легче воздуха, а коэффициент теплопроводности которого больше, чем у воздуха, в 7 раз. Водород используется как электроизолирующая и охлаждающая среда крупных генераторов. Азот используется при повышенном давлении в кабелях, конденсаторах и трансформаторах. Углекислый газ (СО₂) при повышенном давлении используется в эталонных конденсаторах.

В последнее время главным образом в различных электрических аппаратах используют газы с высокой электрической прочностью, которые называются электроотрицательными. они обычно используются при повышенном давлении, хотя и при нормальном давлении имеют существенно большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Это объясняется способностью их молекул захватывать свободные электроны. Самыми известными из них являются дифтордихлорметан (ССl₂F₂), известный под названием хладон – 12, и гексафторит серы (SF₆), известный под введенным в нашей стране названием «элегаз». Элегаз используется в трансформаторах, кабелях, конденсаторах высокого напряжения, электростатических генераторах, комплектных распределительных устройствах (КРУ), выключателях и т. п.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Для начала ударная ионизация нужно, чтобы кинетическая энергия электронов, получаемая ими при свободном пробеге, стала больше энергии ионизации. Ударную ионизацию начинают более подвижные электроны, а при достаточной напряженности ее могут производить и ионы. Для завершения пробоя воздуха, проявляющегося внешне в виде искры, проскакивающей между электродами, необходимо, чтобы лавинообразный процесс увеличения количества свободных зарядов в данном искровом промежутке привел к достаточной плотности свободных зарядов. Это достигается благодаря некоторым вторичным явлениям сопутствующим ударной ионизации, а именно вследствие выхода дополнительных свободных электронов из катода под воздействием фотонов, излучаемых атомами газа, возбудившимися под влиянием соударений с электронами. Имеет место фотоионизация газа. Современные представления о механизме пробоя воздуха, началом которого является ударная ионизация, связывают его завершение с распределением зарядов в промежутке между электродами. Большое значение имеет тот факт, что в зоне ионизации вследствие большой подвижности электронов по сравнению с ионами всегда возникает положительный пространственный заряд: электроны быстрей покидают зону ионизации, а ионы «оседают» в ней. При формировании искрового разряда после прохождения первой лавины электронов за ней остается положительный пространственный заряд, в который втягиваются электроны вторичных, дочерних лавин, что приводит к образованию плазмы, состоящей в основном из ионов и электронов. Головка канала плазмы, имеющей избыточный положительный заряд, передвигается к катоду. Когда этот заряд – так называемый стриммер – подходит к катоду, напряженность в этом месте поля резко возрастает, усиливая ионизацию. Образующаяся при этом масса новых свободных электронов устремляется по стриммеру к аноду. Пробивным напряжением газа является напряжение искрового разряда. Кроме искрового разряда, как известно, может быть и дуговой разряд, характеризующийся большей плотностью тока, причем увеличение тока сопровождается падением напряжения на электродах (короткое замыкание). Переход искрового разряда в дуговой связан с очень быстрым расширением главного искрового разряда и взрывной волной в радиальном направлении. При дуговом разряде имеет место термическая ионизация газа.

Через диэлектрик проходить ток очень большой величины, и в диэлектрике образуется проводящий канал с малым электрическим сопротивлением. В результате пробоя диэлектрик оказывается непригодным к дальнейшему применению. Значение напряжения, приложенного к электродам в момент пробоя, называется пробивным напряжением U_пр(кВ), а соответствующее значение напряженности электрического поля - пробивной напряженностью или электрической прочностью диэлектрика и вычисляется по формуле:

Е_пр. = U/ а МВ/мм, (1)

где, а - толщина материала в месте пробоя, мм.

Электрическая прочность воздуха не является постоянной величиной, а зависит от давления, относительной влажности среды, а также от формы электродов. Исследование пробоя воздуха между стержневыми (игольчатыми) электродами и электродами стержень – плоскость имеет большое практическое значение, так как большинство высоковольтных конструкций имеют острые края и резкие переходы одного размера в другой. Разрядное напряжение таких мест в значительной степени приближается к разрядному напряжению для электродов стержневой формы.

Электрическая прочность воздуха при несимметричных электродах зависит от формы электродов, т.е. от характера электрического поля образующихся между ними, и следовательно определяется процессом образования объемных зарядов в этих промежутках. В промежутке между электродами плоскость-игла при подключении переменного напряжения около иглы возникает положительный объемный заряд, который перераспределяет электрическое поле. Накопление объемного электрического заряда требует определенное время. При напряжении промышленной частоты уже происходит запаздывание образования и исчезновения объемного заряда, относительно изменяющегося напряжения, за счет этого меняется величина напряжения полного пробоя по сравнению с пробоем при постоянном напряжении. Величина пробивного напряжения промежутка зависит от условий образования объемного заряда, степени неравномерности поля, расстояния между электродами.

Наиболее эффект полярности при переменном напряжении проявляется в том, что пробой в неравномерном поле происходит в момент, когда электрод с меньшим радиусом закругления оказывается положительным. Если амплитудное значение переменного напряжение незначительно превосходит пробивное напряжение, то воздушный промежуток ведет себя как выпрямитель, пропуская ток только в одном направлении. Это явление можно наблюдать с помощью осциллографа, подключенного через делитель параллельно пробиваемому промежутку.

Исследование пробоя воздуха между стержневыми (игольчатыми) электродами и электродами стержень – плоскость имеет большое практическое значение, так как большинство высоковольтных конструкций имеют острые края и резкие переходы одного размера в другой. Разрядное напряжение таких мест в значительной степени приближается к разрядному напряжению для электродов стержневой формы.

Экспериментальные исследования

Определение зависимости электрической прочности воздуха при напряжении промышленной частоты от длины, разрядного промежутка и электродов типа: плоскость-плоскость, шар-шар, игла-игла, игла-плоскость осуществляется с помощью аппарата АИИ-70 без кенотронной приставки с использованием устройства для пробоя воздушного промежутка. Схема аппарата представлена на рисунке 2.1. Его описание – в приложении.