Файл: Лабораторная работа по дисциплине Электроматериаловедение на тему Исследование электрической прочности диэлектриков.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Псковский государственный университет»

Передовая инженерная школа гибридных технологий в станкостроении Союзного государства
в Псковском государственном университете

Лабораторная работа

по дисциплине: «Электроматериаловедение»

на тему «Исследование электрической прочности диэлектриков»

Выполнили

студенты группы

1431-08С

Сергеев А. А.

Никитин А. И.

Проверил

ассистент отделения

электроэнергетики,

электропривода и систем

автоматизации

Абдулаева Г. Н.

Псков

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы – ознакомление с основными представлениями о пробое и с методикой экспериментального определения электрической прочности газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков.

1. Основные положения

Пробой диэлектриков происходит в сильных электрических полях и связан с образованием проводящего канала в диэлектрике. Напряжённость поля, при которой диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства, называется пробивной напряжённостью, или электрической прочностью Различают пробой в однородном и неоднородном поле. Приблизительно однородное поле обеспечивается для сферических электродов, если радиус сферы много больше длины зарядного промежутка (толщины диэлектрика).

В случае однородного электрического поля электрическая прочность диэлектрика рассчитывается по формуле

(1)

где – пробивное напряжение,

---

– толщина диэлектрика.

В условиях эксплуатации важно знать, какое напряжение способно выдержать то или иное электрическое изделие. Напряжение, приложенное к электрической изоляции изделия, должно быть значительно ниже той величины, при которой наступает электрический пробой. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Основной же характеристикой материала служит пробивная напряжённость (или электрическая прочность) определяемая из соотношения (1).

Величина электрической прочности характеризует качество диэлектрика и зависит от его свойств. Однако значительно зависит от условий испытания, от толщины диэлектрика, рода тока, скорости подъёма напряжения, формы электродов, температуры, атмосферного давления и прочих условий. Для того чтобы при испытаниях получались воспроизводимые величины для каждого материала, необходимо проводить опыты с соблюдением ряда требований, которые регламентируются ГОСТ 6433.3-80.

На электрическую прочность изоляционных материалов значительное влияние оказывает их неоднородность. Неоднородность диэлектрика вызывает искажение электрического поля, в котором расположен данный диэлектрик.

Предположим сначала, что макроскопически неоднородный диэлектрик находится в переменном электрическом поле и что проводимостью и диэлектрическими потерями его можно пренебречь, то есть



При этих допущениях единственным параметром диэлектрического материала, который может оказывать влияние на распределение напряжённости электрического поля по его объёму, является относительная диэлектрическая проницаемость

При макроскопически однородном по всему объёму диэлектрике напряжённость электрического поля в каждой точке диэлектрика вообще не зависит от εr диэлектрического материала. Так, в случае плоского конденсатора напряжённость поля определяется по формуле (2) для всех точек диэлектрика между обкладками, и поле является равномерным.

---

(2)

где – напряжение между обкладками, В;

– толщина диэлектрика, м.

Цилиндрический конденсатор даёт нам простейший пример неравномерного электрического поля. Согласно (3) максимальная напряжённость имеет место в точках, расположенных в непосредственной близости от внутренней обкладки (при ), а минимальная – в непосредственной близости от внешней (при ).

(3)

где – напряжение между обкладками, В;

и – соответственно радиусы внутренней и внешней обкладок, м;

– расстояние от оси цилиндрического конденсатора, м.

В плоском конденсаторе, содержащем два (или более) различных диэлектрика, соединенных параллельно, поле равномерно, и его напряжённость также определяется формулой (2).

Рассмотрим теперь конденсатор с различными диэлектрическими материалами, слои которых соединены последовательно друг с другом (слоистый диэлектрик). Напряжённость поля в каждом из последовательно соединенных слоёв уже неодинакова. Она будет обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости материала данного слоя. Электрическое смещение D в плоском конденсаторе постоянно во всем объёме диэлектрика; обозначая для двухслойного плоского конденсатора и – напряжённости в слоях 1 и 2 и и – относительные диэлектрические проницаемости материала этих слоев, имеем

откуда

---

(4)

Рассчитаем значения напряжённости поля в слоях двухслойного плоского конденсатора. Обозначим и – толщины слоёв и и – напряжения на них, получим при последовательном соединении слоёв

(5)

где – полное напряжение на конденсаторе, В.

Решение системы уравнений (4) и (5) даёт значения напряжённости поля в обоих слоях

; (6)
В общем случае плоского многослойного ( слоёв) конденсатора

(7)

Для многослойного цилиндрического конденсатора (общий случай слоёв) напряжённость на расстоянии от оси (в -м слое)

(8)

где и – соответственно внешний и внутренний радиусы -гo слоя, м.

Как видно из (7) и (8), в отличие от случая многослойного плоского конденсатора порядок расположения материалов в слоях цилиндрического конденсатора существенно влияет на напряжённость поля в отдельных слоях. Для того чтобы получить наиболее выгодное распределение (получение более низких максимальных значений напряжённостей), нужно стремиться во внутренние слои многослойного цилиндрического конденсатора помещать диэлектрики с большей («градирование изоляции», применяемое, например, в технике силовых кабелей высокого напряжения).

Вышеприведённые формулы для расчёта справедливы для работы многокомпонентной изоляции при переменном напряжении. Для расчёта установившихся (через достаточно большое время после включения напряжения) напряжённостей электрического поля в многокомпонентной изоляции, работающей при постоянном напряжении, в эти формулы вместо значений

---

компонентов нужно подставлять значения удельной объёмной проводимости соответствующих компонентов. Это объясняется тем, что вместо условия непрерывности вектора электрического смещения в основу расчёта для случая постоянного напряжения должно быть положено условие непрерывности вектора плотности тока сквозной проводимости .

Следует иметь ввиду, что в многослойном диэлектрике отношение диэлектрических проницаемостей слоёв, как правило, не соответствует отношению их удельных проводимостей, в связи с чем распределение напряжённости электрического поля по толщине изоляции при напряжении постоянного и переменного тока будет различным. Кроме того, распределение напряжённости в изоляции при напряжении переменного тока значительно меньше зависит от перепада температур в изоляции, чем при напряжении постоянного тока, так как значительно меньше зависит от температуры, чем (ρ) диэлектрика.
2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка создана на базе аппарата АИМ–80 (рисунок 1). Аппарат типа АИМ–80 предназначен для испытания диэлектриков на электрическую прочность повышенным напряжением переменного тока частотой 50 Гц.

Конструкция аппарата имеет следующие основные элементы:

бак с высоковольтным трансформатором;

регулятор напряжения (вариатор) с моторным приводом щётки;

сосуд для испытания (ячейка с электродами);

измерительный прибор, сигнальные лампы, пускатель магнитный, реле максимального тока.

Подъём испытательного напряжения на электродах производится автоматически с помощью электропривода с постоянной скоростью подъёма напряжения (3 кВ/с) до пробивного напряжения. Возврат щётки регулятора напряжения в нулевое положение может осуществляться путём нажатия на кнопку SB2 (6) или автоматически, режим выбирается тумблером S3 (9).

---