Электрическая прочность диэлектриков при напряжении промышленной частоты.

Цель работы

Освоить метод экспериментального определения электрической прочности диэлектриков.

Теоретическая часть

Электрической прочностью диэлектрика называют ту напряженность поля, при которой диэлектрик теряет изоляционные свойства. Поскольку напряженность определяют как градиент потенциала, то электрическую прочность (Епр) можно оценить как отношение напряжения, приводящего к пробою (Uпр), к толщине диэлектрика (d).

Епр=Uпр/d (1)

Boзможно развитие трех механизмов пробоя: электрического, электротеплового и электрохимического. Механизм пробоя зависит от напряженности поля, температуры материала, его толщины, условий охлаждения, воздействия с окружающей среды. В газах обычно развивается электрический пробой.

Рассмотрим пробой воздуха. В воздухе всегда содержится небольшое количество ионов, образующихся за счет действия космических лучей, естественной радиоактивности земли и других факторов. Под воздействием электрического поля ионы ускоряются и на длине свободного пробега набирают кинетическую энергию (Wк):

Wк= qlE (2)

где q - заряд частицы;

l - длина свободного пробега в направлении поля (расстояние между двумя столкновениями с молекулами);

Е - напряженность электрического поля.

Сталкиваясь с молекулой, ион передает ей энергию. Если эта энергия превышает энергию ионизации (Wи), то происходит ударная ионизация с образованием свободного электрона и положительно заряженного иона. Условие возникновения ударной ионизации можно записать в виде: Wк>Wи. Отсюда можно оценить минимальную напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация:

Еи= Wи/ql (3)

Помимо ударной ионизации, возможна фотонная ионизация газов при существенно меньших значениях напряженности поля. В этом случае взаимодействие иона с молекулой не приводит к ее ионизации, поскольку кинетическая энергия иона меньше энергии ионизации. Однако, поглотив кинетическую энер­гию иона, молекула переходит в возбужденное состояние. При переходе молекулы в равновесное состояние она испускает квант электромагнитного поля - фотон. В случае, если несколько фотонов одновременно попадет на какую-либо молекулу, суммарная энергия поглощенная молекулой, окажется больше энергии ионизации, что станет причиной образования дополнительной пары ионов. Очевидно, что повышение объема газа приведет к увеличению вероятности попадания нескольких фотонов в одну и ту же молекулу, поскольку возрастает общее количество ионов и, соответственно, увеличивается генерация фотонов.

В газах длина свободного пробега ионов существенно больше длины свободного пробега в твердых телах и жидкостях, поэтому электропрочность газов минимальна. В тех случаях, когда в диэлектрике появляется газовая или паровая фаза, электропрочность жидкого или твердого диэлектрика снижается.

Помимо электрического, возможно развитие электротеплового и электрохимического пробоя. Электротепловой пробой связан с локальным повышением температуры диэлектрика вследствие того, что энергия поля, рассеиваемая в диэлектрике, превышает отводимую тепловую энергию. При увеличении температуры диэлектрика возрастают потери на сквозную электропроводность и поляризацию, и, как следствие, снижается электропрочность диэлектрика. Электрохимический пробой вызван необратимыми изменениями химического состава материала при его нахождении в электрическом поле.

Экспериментальная часть

Испытание электрической прочности изоляции переменным напряжением промышленной частоты до 5 кВ проводится на универсальной пробойной уста­новке GPI-735.

ВНИМАНИЕ: высокое напряжение, развиваемое установкой, опасно для жизни.

В настоящей работе экспериментально определяется электрическая прочность различных диэлектриков как функция состава, толщины и времени. По характеру повышения напряжения стандартом предусмотрен кратковременный вид испытаний.

Экспериментальное определение электрической прочности при напряжении про­мышленной частоты заключается в фиксации величины напряжения на образце в момент, непосредственно предшествующий резкому увеличению тока и резкому спаду напряжения на диэлектрике.

Для изучения влияния толщины диэлектрика на его электропрочность следует для каждого испытания набирать пакет из 1, 2, 3, 5, 7 слоев листового материала (целлофана). В этом эксперименте закладывается искусственная неоднородность диэлектрика в виде воздушных промежутков между листами.

 

Испытания производятся в следующей последовательности:

1. При отключенной сети устанавливаем образец в камеру:

Снимаем колпак, вынимаем провод, держа его только за изоляцию,

снимаем цилиндр. Помещаем образец. Устанавливаем цилиндр обратно, в цилиндр вставляем кабель и закрываем колпаком.

2. Включение прибора:

Включить рубильник на столе.

Затем нажимаем кнопку "Power" для включения самого прибора (напряжение на индикаторе измеряется в кВ, ток в мА).

3. Подготовка прибора к измерениям:

Нажимаем кнопку "Reset". Высветившаяся на индикаторе прибора надпись "Ready" говорит о готовности прибора к измерениям.

4. Проведение измерений:

Нажимаем кнопку Start.

Прибор производит регулирование выходного напряжения автоматически, плавно увеличивая его до пробоя диэлектрика. При пробое загорается красная сигнальная лампа "Fail", раздаётся звуковой сигнал и фиксируется напряжение пробоя. Для выключения звукового сигнала нажимаем кнопку "Reset" один раз. Повторное нажатие приводит к сбросу результатов измерения.

ВНИМАНИЕ: после нажатия кнопки "Start" нельзя поднимать колпак и касаться проводов. Манипуляции с прибором выполняет ТОЛЬКО один человек. Другой записывает показания. Для получения правильных результатов для каждого опыта берётся новая, непробитая плёнка.

5. Для последующих измерений:

Выключаем прибор нажатием кнопки Power, заменяем образец.

Далее измерения производятся в соответствии с последовательностью, описанной выше.

6. Данные испытаний занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Номер испытания	Толщина d, мм	Пробивное напряже­ние U, кВ	Электрическая прочность, Епр, В/м

 

7. Построить график зависимости E_пр от d.

8. Сделать выводы.

Требования к отчету

Отчет должен содержать: наименование работы, цель работы, краткую теоретическую часть, результаты в виде таблиц и графиков, выводы.

5 Контрольные вопросы

1. Как повлияет на электропрочность воздуха повышение давления с 1 атмосферы до 10 атмосфер?

2. У какого материала выше электропрочность полистирола или воздуха?

3. При изготовлении конденсаторов бумагу пропитывают конденсаторным маслом. Для чего?

 

Лабораторная работа №5