Лабораторная
работа №5
Иcследование
электрической прочности диэлектриков.
Цель
работы: Исследовать
зависимость пробивного напряжения Uпр и электрической
прочности Епр воздуха от
расстояния между электродами в однородном и неоднородном электрических полях;
Требуемое оборудование, входящее в
состав модульно учебного комплекса МУК-РМ1:
1.
Генератор высоковольтного напряжения ГНВ1;
2.
Измерительная камера ИК2
Методика
проведения эксперимента
Теория
Электрический пробой диэлектрика — это явление резкого роста
электропроводности данного материала под действием приложенного к нему
напряжения, с последующим образованием проводящего канала.
Электрический пробой в жидкостях или
газах называют еще электрическим разрядом. По сути такой разряд формируется разрядным током конденсатора, образованного электродами, к которым приложено
пробивное напряжение.
Напряженность электрического поля, при которой
электроизолирующий материал может нормально работать, не должна превышать
некоторого вполне определенного значения. При некотором значении напряженности
происходит нарушение процесса работы диэлектрика, материал его пронизывается
искрой, переходящей в дугу. Диэлектрик теряет при этом свои изолирующие
свойства, сопротивление его резко уменьшается, и токоведущие части, разделенные
ранее изолирующим промежутком, замыкается накоротко. Наступает пробой диэлектрика.
Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр, соответствующее значение
напряженности поля – пробивной напряженностью Eпр или пробивной прочностью (электрической прочностью):
где h – толщина диэлектрика.
Совершенно ясно, что электроизоляционный материал в
условиях эксплуатации не должен работать при напряжении, могущем вызвать пробой диэлектрика.
Различают два вида пробоя твердого диэлектрика:
электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой объясняется разрушением структуры вещества под действием
сил электрического поля. В слабом электрическом поле электрические заряды
упруго смещаются, вызывая поляризацию диэлектрика. Если же напряженность поля
достигает величины пробивной напряженности, происходит срыв заряженных частиц с
первоначальных положений, что приводит к пробою.
Как известно, при работе диэлектрика в переменном
электрическом поле выделяется тепло за счет электрических потерь. При
отрицательном температурном коэффициенте сопротивления нагрев материала будет
сопровождаться уменьшением сопротивления диэлектрика. Это приведет к увеличению
тока, проходящего сквозь диэлектрик, и еще более сильному нагреву материала.
Таким образом, процесс нагрева все время усиливается до тех пор, пока материал
не нагреется настолько, что будет разрушен (расплавлен, обуглен и тому
подобное).
Пробой газообразных
диэлектриков (воздуха) вызван образованием и движением ионов в газообразной
среде при высоких значениях напряженности электрического поля. В некоторый
момент быстрое движение ионов в газообразной среде приводит их к столкновению с
нейтральными молекулами газа и образованию новых ионов. Это явление
сопровождается резким увеличением числа ионов в газе, вследствие чего сопротивление
газа уменьшается (ударная ионизация). Наступает пробой газообразного
диэлектрика.
В однородном электрическом поле (между двумя
остриями, острием и плоскостью, проводами высоковольтных линий и тому
подобного), в местах, где напряженность поля достигает критических значений,
возникает тихий разряд, сопровождающийся жужжанием или потрескиванием с
образованием фиолетового свечения (явление короны). С увеличением напряжения
тихий разряд может перейти в искровой, затем в кистевой и, наконец, в дуговой
разряд (если мощность источника напряжения велика). Пробой воздуха у
поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом
(перекрытием). Для увеличения поверхности изоляционных деталей ее делают
волнистой.
В процессе пробоя большого промежутка в газовом
диэлектрике, друг за другом следуют несколько стадий:
1. В газовом
промежутке, в результате фотоионизации молекулы газа, непосредственно из
металлического электрода, или случайно, появляется свободный электрон.
2. Появившийся в
промежутке свободный электрон разгоняется электрическим полем, энергия
электрона при этом растет, и в конце концов становится достаточной для
ионизации нейтрального атома при соударении с ним. То есть происходит ударная
ионизация.
3. Вследствие
множества актов ударной ионизации образуется и развивается электронная лавина.
4. Образуется
стример — плазменный канал, сформированный положительными ионами, которые
остались после прохождения лавины электронов, и отрицательными, которые теперь
втягиваются в положительно заряженную плазму.
5. Емкостный ток
через стример вызывает термоионизацию, и стример преобразуется в лидер.
6. При замыкании
разрядного промежутка каналом разряда происходит главный разряд.
7. Если разрядный
промежуток достаточно мал, то процесс пробоя может закончиться уже на стадии лавинного
пробоя или на стадии образования стримера — на стадии искры.
Электрическую прочность газов определяют:
1. Расстояние между
электродами;
2. Давление в пробиваемом
газе;
3. Сродство молекул
газа к электрону, электроотрицательность газа.
Под действием электрического
поля заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы газа)
перемещаются в направлении поля или против него в
зависимости от их знака и приобретают на длине свободного пробега дополнительную
к тепловой энергию:
,
(1)
где Е – напряженность электрического
поля; q – заряд частицы;
l – длина
свободного пробега.
Если эта энергия становится больше
или равной энергии ионизации газовых
молекул
Wи, то при
столкновении с молекулой газа происходит
ударная ионизация, т.е. расщепление молекулы на
электроны и положительные ионы. Освобожденные
при этом «вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, ионизируют молекулы газа, образуя электронную лавину.
В однородном поле пробой газа наступает
внезапно с образованием электрической искры, в неоднородном поле ему
предшествует явление короны. Пробивное напряжение при однородном поле выше
пробивного напряжения в неоднородном поле при прочих равных условиях. Кроме
этого, пробивное напряжение и электрическая прочность газа зависят от рода
тока, давления и химического состава газа.
Методика
эксперимента
Измерение пробивного напряжения и определение
электрической прочности воздуха производится
с помощью генератора высоковольтного
напряжения ГНВ1 и измерительной камеры ИК2 (рис. 1). Максимальное
напряжение, подаваемое на электроды
камеры, составляет 20 кВ.
Для измерения пробивного напряжения
необходимо перевести ГНВ1 в режим «Автомат». В этом режиме после нажатия
кнопки «Пуск» выходное напряжение будет меняться автоматически от 0 до 20 кВ пошагово.
При превышении напряжения свыше 20 кВ
(нет пробоя) загорается индикатор
перегрузки по напряжению «>20кВ»
и источник отключается.
В случае
возникновения пробоя загорится индикатор «>200мкА», фиксируется значение пробивного
напряжения и источник отключается.
Рис. 1
Порядок выполнения работы
2. Закройте крышку камеры.
3. Включите тумблер «Сеть». Переведите ГНВ1 в режим «Автомат».
4. Измерьте напряжение пробоя. Повторите измерения
три раза. Найдите среднее арифметическое значение,
которое принимается за пробивное напряжение воздуха при данном расстоянии между электродами.
5. Меняя расстояние
между электродами, измерьте пробивное напряжение
при расстояниях 0,75; 1; 1,25; 1,5 см.
6. Вставить в
электродержатели электроды игла-плоскость и повторить пп. 1 – 9.
7. Вставить в
электродержатели электроды шар-шар и
повторить пп. 4.1–4.9.
8. Результаты испытаний свести в таблицу.
Построить графики зависимости Uпр = f(h).
Контрольные
вопросы.
1. Что такое пробой?
2. Что называют электрической
прочностью?
3. Перечислите основные виды пробоя
твердого диэлектрика.
4. От каких параметров зависит электрическая
прочность газов?
5. Что такое поверхностный разряд?
6. Как зависит величина пробивного
напряжения от расстояния между электродами? Запишите формулу.
Литература
1. Электронный
учебник по электротехническому материаловедению. Пробой диэлектриков.