При напряжении промышленной частоты

Цель работы - ознакомиться с методикой определения электрической прочности твердых диэлектриков.

Твердые диэлектрики используются для изготовления различных изоляционных конструкций. Каждая изоляционная конструкция способна выдерживать лишь вполне определенное электрическое напряжение, выше которого наступает быстрое образование проводящего канала, то есть потеря диэлектриком изоляционных свойств. Это явление носит название пробоя, а напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением U_пр. Пробивное напряжение характеризует стойкость изоляционной конструкции к пробою. Стойкость же самого твердого диэлектрика характеризуется его электрической прочностью Е_пр. В равномерном электрическом поле Е_пр = U_пр / а,
где а - толщина диэлектрика в месте пробоя.

Изменение изоляционных свойств и разрушение твердого диэлектрика (пробой) происходят по-разному у диэлектриков различной структуры и зависят от величины приложенного напряжения, характера напряжения (постоянное, переменное, импульсное), времени воздействия на диэлектрик, формы электрического поля, условий охлаждения. В связи с этим различают четыре основных вида пробоя твердых диэлектриков: электрический пробой макроскопических однородных диэлектриков; электрический пробой неоднородных диэлектриков; электротепловой; электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопических однородных диэлектриков имеет лишь теоретический интерес, поскольку все технические диэлектрики нельзя отнести к однородным. Этот вид пробоя характеризуется быстрым развитием и протекает за 10^-7 ¸ 10^-8 с при высоких напряженностях электрического поля в диэлектрике (более 1000 кВ/мм). Для однородных диэлектриков наблюдается заметная разница в значении в равномерном и неравномерном полях (рис.5, кривые 1,2).

Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для технических изоляционных материалов. Протекает он так же быстро (10^-7с). Внутри неоднородных диэлектриков поле сильно искажено, и искажение внешнего поля менее существенно (рис.5, кривые 3,4).

Электротепловой пробой обычно развивается у диэлектриков с повышенной электропроводностью и значительными диэлектрическими потерями. В электрическом поле материал разогревается в слабых местах до температуры, при которой происходит растрескивание, выкрашивание, обугливание изоляционного материала. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты изменения электрического поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды, от нагревостойкости материала, его теплопроводности, от температурной зависимости tgd материала. Электротепловой пробой развивается медленнее электрического, так как необходимо время для разогрева диэлект-рика. Чем выше приложено напряжение к диэлектрику, тем интенсивнее разогрев, тем быстрее снизится Е_пр, а следовательно, быстрее произойдет пробой. Этим объясняется крутизна начального участка (В) кривой = f(t) (рис.6).

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся: нагревостойкость морозостойкость, внутреннее трение или вязкость при различных температурах, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких смен температуры называют нагревостойкостью.

Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как привило, по началу существенного изменения электрических свойств например заметному росту tgδ или снижению удельного электрического сопротивления, величину нагревостойкости оценивают соответствующими значениями температуры (в ^оС), при которой появились эти изменения.

Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжение или изгиба, погружению иглы под давлением при нагревании диэлектрика (определение «теплостойкости»). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Вопрос о наивысшей допустимой рабочей температуре решается на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагаревостойкости материала с учетом коэффициента запасая, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры за счет медленно протекающих химических процессов, то это явление называют тепловым старением изоляции.

Возможно повышение рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно ценна. В электрических машинах и аппаратах повышение перегрева, которое обычно лимитируется именно материалами электрической изоляции, дает возможность получить более высокую мощность в неизменных габаритах или же при сохранении мощности достичь уменьшения габаритных размеров, веса и стоимости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей самолетного электрооборудования и других передвижных устройств, где вопросы уменьшения весов и габаритных размеров выступают на первый план.

В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устройства и электронных и ионных приборах значительной мощности и т.п. высокая рабочая температура изоляции вытекает из особенностей работы всего устройства.

Морозостойкость. Во многих случаях эксплуатации Эл. изоляции, например для изоляции электрооборудование открытых подстанций, полевой аппаратуре связи и т.п., важна морозостойкость, способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах.

Многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции.

Электрохимический пробой происходит чрезвычайно медленно и объясняется протеканием в диэлектрике различных электролитических процессов, необратимо уменьшающих электрическую прочность диэлектрика, длительно находящегося в электрическом поле.

Пленочные электроизоляционные материалы представляют собой гибкие пленки и ленты толщиной от 0.02 мм и выше, получаемые из синтетических высокополимерных диэлектриков: полистирола, полиэтилена, фторопласта-4 и др. Гибкие пленки обладают, как правило высокой электрической и механической прочностью и находят широкое применение в изоляции электрических машин, в виде диэлектрик конденсаторов и в ряде других случаев.

Два основных способа изготовление пленок: разлив на гладкую металлическую поверхность раствора полимера с последующим испарением растворителя и разлив на гладкую охлаждаемую поверхность расплавленного полимера. Гибкость пленки может быть увеличена путем добавления к материалу пленки пластификатора или вытяжкой пленки при температуре, несколько превышающей ее температуру размягчения.

Пленки из эфиров и других химических производных целлюлозы принадлежат к числу наиболее распространенных в технике и в быту гибких пленок: сюда относятся кино- и фотопленки (обычно из нитроцеллюлозы), упаковочные материалы (например целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, по составу аналогичная вискозному искусственному шелку и обладающая высокой гигроскопичностью и т.п.). Из пленок этого класса в технике электрической изоляции важны пленки из триацетата целлюлозы.

Триацетатные пленки выпускают непластифицированнымим, слабопластифицированными и пластифицированными. Непластифицированные и слабопластифицированные триацетатные пленки применяют в качестве пазовой и межвитковой изоляции в машинах низкого напряжения. Они могут быть длительно использованы при температурах до 120^оС включительно.

При довольно высоком пределе прочности на растяжение триацетатные пленки весьма чувствительны к надрыву – раз образовавшаяся на краю пленки трещина легко распространяются дальше.

Особенностью пленок из полиамидных смол (например капрона) является их высокая эластичность (удлинение при разрыве порядка 150-400%) при высокой механической прочности.

Пленки из полиэтилентерефталата (лавсана) обладают весьма высокой механической прочностью.

Из неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола, а также политетрафторэтилена.

Предназначенные для электроизоляционных целее гибкие пленки из полистирола изготовляются механически ориентированными, без добавления пластификаторов. Полистирольные пленки и ленты применяют для изоляции жил высокочастотных кабелей, а также в производстве полистирольных конденсаторов низкого и высокого напряжения.

Пленки из фторопласта-4 получают посредством обточки вращающейся фторопластовой болванки цилиндрической формы. Пленка, снимаемая резцом в виде непрерывной стружки, имеет толщину от 0,06 до 0,25 мм и в ширину от 40 до 200 мм. Она представляет собой неориентированную фторопластовую планку с несколько шероховатой поверхностью. Если неориентированную пленку подвергнуть многократно прокатке между нагретыми стальными валками, то получится ориентированная, уплотненная пленка.

Пленки из фторопласта-4 являются негорючими. Их применяют в производстве термостабильных конденсаторов, а также для изоляции в обмоточных и монтажных проводах, длительно используемых при температурах до 250^оС.

В настоящей работе определяется электрическая прочность образцов изолирующих материалов при напряжении промышленной частоты. Стандартом предусматриваются следующие виды испытаний в зависимости от характера повышения напряжения: кратковременное, ступенчатое одноминутное и длительное.

При кратковременном испытании напряжение увеличивается от 0 с равномерной скоростью около 1 кВ/с. Если пробивное напряжение превосходит
20 кВ, то скорость увеличивают до 2 кВ/с. Во всех случаях время подъема напряжения не должно быть менее 10 с.

При ступенчатом одноминутном испытании сразу устанавливают напряжение, равное 0,5 от величины пробивного напряжения при кратковременном испытании, а затем повышают через каждую минуту ступенями в 10% от напряжения первой ступени. Таким образом, на второй ступени напряжение должно быть поднято до 55% от пробивного, на третьей - до 60% и так далее до пробоя.

При длительном испытании на образец подают сразу 50% от пробивного напряжения , полученного при кратковременных испытаниях, а затем через каждые 30 минут повышают его на 5%. Такое испытание в условиях учебной лабораторной работы не удается провести из-за недостатка времени. Можно заменить его другим испытанием, также выявляющим зависимость пробивного напряжения от времени его воздействия. Для этого можно провести ряд отдельных опытов при плавном повышении напряжения со скоростью 1кВ/с до 0,99; 0,98; 0,97 и так далее от напряжения пробоя при кратковременных испытаниях и секундомером определять время от момента установления данного напряжения до момента пробоя.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Высокое напряжение в схеме (рис.7) получается от высоковольтного трансформатора 4, снабженного устройством для плавной регулировки напряжения 2 (ЛАТР). О появлении напряжения сигнализирует загорание лампы 1. Вторичная обмотка трансформатора при пробое образца оказывается замкнутой почти накоротко, так как сопротивление канала пробоя мало. Ток до отключения установки после пробоя диэлектрика ограничивается защитным сопротивлением 5 . Напряжение на образце при пробое диэлектрика измеряется вольтметром, установленным на первичной стороне трансформатора, при этом вольтметр проградуирован на высокое вторичное напряжение.

Для получения пробоя в поле, близком к однородному, применены латунные цилиндрические электроды с закругленными краями. При испытании образцов повышенной электрической прочности для устранения скользящего разряда опыт проводят в жидкости с диэлектрической проницаемостью, близкой проницаемости диэлектрика, или применяют полупроводниковое покрытие.

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

1. Определить напряжение и напряженность полного пробоя образцов изолирующих материалов (по указанию преподавателя) при кратковременном испытании как функцию толщины материала. Толщину образцов перед закладкой между электродами измерить микрометром в трех местах с последующим расчетом ее среднего значения. Результаты испытаний занести в табл. 2.

Таблица 2

Величины пробивных напряжения и напряженности

Мате-риал	Количе-ство листов	Толщи-на, мм	Пробивное напряжение, Uпр, кВ	Пробивная напряженность, Е , кВ/мм
						сред				сред

2. Определить напряжение и напряженность полного пробоя для 6 листов испытуемого материала при ступенчатом одноминутном испытании.

3. Снять зависимость напряжения и напряженности пробоя от времени воздействия напряжения t для 6 листов испытуемого материала при естественных окружающих условиях. Опыт провести следующим образом: после установки листов на испытательное поле плавно поднять напряжение до значения 0,99 U_пр, взятого из опыта 1, включить секундомер. В момент пробоя остановить секундомер и определить время до пробоя (опыт повторить 3 раза). Затем повторить опыт с напряжением 0,98 U_пр ; 0,97 U_пр ; 0,96 U_пр и т.д. до тех пор, пока запаздывание пробоя не превысит 300 секунд. Результаты испытаний занести в табл. 3.

Таблица 3

Определение пробивной напряженности

Напряжение на образце	Время запаздывания пробоя, t ,с	Пробивная напряженность, Епр
В долях от Uпр	кВ				сред.	кВ/мм
0,99
0,98
0,97

Примечание: материал _________________ ,толщина ____ мм , температура ____ °С.

При выполнении работы ввиду неоднородности испытуемого материала и небольшого количества опытов неизбежен разброс в значениях U_пр и t. Для построения графиков U_пр = f(h); Е_пр = f(h); U_пр = f(t); Е_пр = f(t) нужно брать среднее значение из трех опытов.

Отчет по работе должен содержать: схему испытаний, краткое описание испытуемого материала и его свойств с указанием области применения, результаты измерений и вычислений, занесенные в табл. 2 и 3, графики, построенные по результатам опытов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие виды пробоя твердых диэлектриков известны?

2. В чем состоят особенности пробоя однородных и неоднородных диэлектриков?

3. В чем различие электрического и электротеплового пробоя?

4. Как зависит электрическая прочность твердых диэлектриков от их толщины?

5. Как зависит электрическая прочность диэлектриков от температуры?

6. Какой должна быть скорость подъема напряжения при определении электрической прочности твердых диэлектриков?

Литература: [1,2,3].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7