Испытание твердых электроизоляционных материалов.

Цель работы: ознакомиться с основными диэлектрическими характеристиками электроизо­ляционных материалов и методами их измерения. Определить электрическую прочность различ­ных электроизоляционных ма­териалов.

Программа работы.

 

В процессе выполнения работы необходимо: ознакомится с теоретическими предпосылками. Провести экспериментальные исследования и заполнить таблицу. Провести необходимые расчеты. Оформить работу и получить зачет по ней.

 

 Теоретические предпосылки.

 

Многообразие явлений при пробое твердых диэлектриков до сих пор не нашло точного теоретического объяснения. Пробой может быть электрическим, электро­химическим, ионизаци­онным и электротепловым. Электрический пробой, обычно происходить мгновенно ~10^-7 -10^-8 с и не зависит от температуры (до определенного значения последней) и длительности воздействия напряжения.

Основной физиче­ской сущностью процесса является образование в ди­электрике достаточно сильной электронной лавины из небольшого числа начальных электронов под действием большой напряженности электрического поля. Этот процесс обычно сопровожда­ется ударной ионизацией. Относительно правильный порядок значений пробивных напряже­ний дает квантовая тео­рия, но и она не объясняет все явления, про­исходящие при пробое. Согласно классической теорий, электрическая прочность в твердых диэлектриках определяется длиной свободного пробега электронов, кото­рой намного меньше, чем в жидких и газообразных диэлектриках. Поэтому элек­трическая прочность в твердых диэлектриках всегда больше, чем в жидких и газо­образных ди­электриках. Из-за малой длины свободного пробега электронов в твердых диэлектриках рост электрической прочности с уменьшением толщины заметен только при очень малых толщинах. Этой закономерностью подтверждается механизм ударной ионизации.

Результаты испытаний по электрическому пробою твердых тел по­казывают, что назначение пробивного напряжения влияют в ос­новном характер микрострук­туры диэлектрика, форма элек­триче­ского поля и вид напряжения. В твердых ди­электриках однородное поле может быть полу­чено в очень редких случаях. Поле определяется формой электродов и по конфигурацией изоля­ционных конструкций и искажается за счет посторонних включений. В однородном поле электри­ческая проч­ность диэлектрика максимальна. В неоднородном поле электрическая проч­ность диэлектрика изме­няется с увеличением его толщины и пробой происходить при относительно низком напряжениях, чем пробой при однородном поле.

Электрическая прочность твердых технических ди­электри­ков зависит от их однородности и главным образом от содержания в них га­зовых включений. Пористые диэлектрики, такие, как мрамор, дерево, непропитан­ная неплотная бумага, пористая керамика, обладают низкой электри­че­ской прочно­стью. Диэлектрики плотной структуры, такие как слюда, пропитанная бумага, стекло, имеют повышенную электри­ческую прочность.

Электротепловой пробой обычно развивается у диэлектриков с повышенной электропроводимостью и значительными диэлектрическими потерями. Он развивается медленнее электрического, нужно время, чтобы диэлектрик нагрелся. Чем выше приложено напряжение к диэлектрику, тем интенсивнее разогрев, тем быстрее произойдет снижение Е_пр., а следовательно произойдет пробой. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в элек­трическом поле до темпе­ратуры, при которой материал разруша­ется

(плавится, растрескива­ется, обугливается) с чрезмер­ным воз­растанием тока сквозной проводимости или диэлектрических по­терь. Значение пробив­ного напряжения при тепловом пробое характери­зует электроизоляционное изделие, а не диэлек­трик, из которого оно изго­товлено. Это напряжение зависит от нагревостойкости ма­териала, частоты тока, ус­ловий охлаждения, температуры охлаж­дающей среды и др.

Некоторые твердые диэлектрики и системы изоляции обладают известной пористостью, ко­торая может определяться самой природой диэлектрика, например волокнистые материалы (бумаги, картоны), или появляться в процессе эксплуатации. При наличии газовых включений при повышения напряжения, до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация этих включений, в которых напряженность электрического поля всегда больше, чем в твердой части. Ионизация внутренних воздушных пор приводит к увеличению диэлектрических потерь. Вследствие роста потери за счет ионизации воздушных прослоек может появиться опасность теплового пробоя. Очаги внутренней ионизации в порах действуют разрушающим образом на твердый ди­электрик за счет бомбардировки ионами и электронами, вызывающими эрозию, за счет теплового воздействия и воздействию озона и окислов азота. Так и происходить ионизационный пробой в твердых диэлектриках.

Электрохимический пробой происходит чрезвычайно медленно и объясняется протеканием в диэлектрике различных электролитических процессов, необратимо уменьшающих электрическую прочность диэлектрика. Развитию электрохимического пробоя способствует повышенная температура и высокая влажность окружающего воздуха.

Под воздействием некоторого определенного напряжения диэлектрик теряет свои свойства и происходит его пробой изоляции. 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/ h МВ/мм,                          (1)

где h - толщина материала в месте пробоя, мм.

Для надежной работы диэлектриков их рабочее напряжение должно быть ниже пробивного. Отношение пробивного напряжения U_пр. к номинальному U_н на­зывается коэффициентом запаса электрической прочности. Он устанавливается в зависимости от физико-химических свойств ди­элек­трика и условий его работы.

Электрическая прочность ряда электроизоляционных материалов может быть повышена пропиткой их маслами, лаками или компаундами.

В настоящей работе определяется электрическая прочность образцов изолирующих материалов в условиях, предусмотренных стандартом, при напряжении промышленной частоты.

Методика выполнения работы

 

Ознакомиться с принципиальной схемой установки и изучить правила техники безопасно­сти при работе на установке высокого напряжения.

Электрическую прочность электроизоляционных материалов нужно определять при по­мощи аппа­рата АИИ-70 (рис.2.1). Аппарат АИИ-70 предназначен для испытания кабелей, твердых и жидких диэлектриков переменным или выпрямленным высоким напряжением.

Технические данные аппарата в приложении.

     Аппарат со­стоит из передвижного пульта на колесах и кенотронной приставки (на ри­сунке 2.1. не приведена), внутри пульта установлены пускорегулирующая и сигнальная аппаратура и высоковольтный трансформатор. Работа и взаимодействие элементов схемы аппарата осуществляются следующим образом. Электропитание подводится к аппарату от однофазной сети напряжением 127 или 220 В посредством гибкого кабеля, снабженного штепсельными разъемами, на клеммы дверной блокировки SF2. Далее через предохранители F1,F2,F3 попадает на регулятор напряжения TV2. Регулируемое напряжение от TV2 через автоматический выключатель SF1 подается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора TV1 и конденсатор С1, С2.

Переключатель S1 служит для установки максимальной защиты автоматического выключателя SF1 в положение «Чувствительная» или «Грубая». Высокое напряжение от трансформатора TV1 через ограничительное сопротивление R может быть использовано как для испытания переменным напряжением твердых диэлектриков, так и для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков.

Сигнальная лампа HLG (зеленая) указывает на включение сети, лампа HLR (красная) на включение высокого напряжения. В установке имеется сосуд EV с электродами для испытания жидких диэлектриков.

Напряжение от сети через блок-контакты БК и предохранители Пр подво­дится к регулировочному автотрансформатору РН, предназначен­ному для плавного изменения напряжения. Высокое напряжение включается автома­тическим выключателем В, который имеет три обмотки; две из них соеди­нены последовательно, а одна шунтирована переключателем защиты ПЗ. При разомкнутом положении этого переключателя - защита чувствительная, автомат срабатывает при пробое Когда переключатель ПЗ замкнут, защита грубая, автомат не срабатывает при коротком замыкании на высокой сто­роне и остается включенным, если мощность на стороне высокого напряже­ния при 50 кВ не превосходит 2 кВА; такой режим должен длиться не более 1 мин. Напряжение на образце (кВ) измеряют вольтметром на стороне низ­кого напряжения. Конденсаторы С предназначены для защиты от перена­пряжения первичной обмотки. Высоковольтный трансформатор ТГ 100 В/50 кВ мощностью 2 кВА имеет один заземленный вывод вторичной обмотки. При синусоидальной форме кривой питающего напряжения вторичное на­пряжение в режиме холостого хода не отличается от синусоидального бо­лее чем на 5%. Сопротивление защищает трансформатор от перегрузки при пробое образца.